DE102010035728A1

DE102010035728A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasprobenahmevorrichtung zur colorimetrischen Gasanalyse

Info

Publication number: DE102010035728A1
Application number: DE102010035728A
Authority: DE
Inventors: Tilman von BLUMENTHAL
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2010-08-28
Filing date: 2010-08-28
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-29
Also published as: DE102010035728B4; US8718954B2; US20120052590A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Förderung einer Messgasmenge durch ein Prüfgasröhrchen (60) mit einer Pumpe (20),ruck- und Durchflussmessung (12, 14, 16) und einer Steuer- und Regeleinheit (30). Ein in einem Kalibrierverfahren ermittelter Gleichtaktanteil eines Differenzdrucksensors (14) wird im Verfahren zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung zur Erhöhung der Genauigkeit eines mit der Pumpe (20) aus der Messumgebung (50) geförderten Gasvolumens berücksichtigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Anordnung zur Gasprobenahme mit einer Pumpe zur Förderung einer Messgasmenge durch ein Prüfgasröhrchen, mit Sensorik zur Druck- und Durchflussmessung und mit einer Steuerungs- und Regeleinheit zur Steuerung und Regelung der Kalibrierung und der Überprüfung des Messbetriebs. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerung und Regelung der Messgasmenge und eine Steuerung und Regelung des zum Transport der Messgasmenge benötigten Druckniveaus.
Zum Nachweis bzw. zur Messung von Fremdgasanteilen in der Zusammensetzung technischer Gase in Gasbehältern oder Gasleitungssystemen, wie z. B. Druckluftleitungen dienen Gasspür- und Messgeräte.
Ein weiteres Einsatzfeld für Gasspür- und Gasmessgeräte ist der Nachweis von Spurengasen in der Umgebungsluft. Bei einer Gruppe dieser Gasspürgeräte wird die zu untersuchende Gasmenge durch ein Prüfröhrchen geleitet, in denen ein Nachweisreagenz für den jeweils zu bestimmenden Bestandteil enthalten ist, wobei die Nachweisreaktion als chromatische Reaktion unter Farbänderung abläuft.
Eine bestimmte Menge an Gas wird dabei mittels einer von Hand oder motorisch angetriebenen Pumpe durch das Prüfröhrchen gesaugt.
Solche Prüfröhrchen werden beispielsweise im Arbeitsumfeld des Katastrophenschutzes oder bei der Wartung von Industrieanlagen eingesetzt, um eine Gefährdung der Einsatz- oder Wartungskräfte durch explosive oder toxische Gasbestandteile auszuschließen.
Als Pumpen werden dabei Balg-, Membran- oder Kolbenpumpen und auch Doppelkolbenmembranpumpen benutzt.
Eine Kombination aus Prüfgasröhrchen und einer gesteuerten Pumpe zur Applizierung eines Volumens durch ein Prüfröhrchen hindurch wird durch die US 5295790 A beschrieben.
Die aus der US 5295790 A bekannte Kombination aus Drucksensoren mit einem Laminarflowelement zur Durchflussmessung bei einer Gasprobenahmevorrichtung zur Bestimmung von Gaseigenschaften ermöglicht im laminaren Bereich der Strömung in dem Laminarflowelement eine lineare Erfassung des Volumenstromes als Funktion des über dem Laminarflowelement abfallenden Differenzdrucks. Der über dem Laminarflowelement abfallende Druck wird mittels eines Differenzdrucksensors in ein elektrisches Ausgangssignal gewandelt.
Diese Kombination aus einem Laminarflowelement und einem Drucksensor ist eine nach dem Stand der Technik übliche Methode, um ein der Strömung proportionales und lineares Ausgangssignal zu erhalten. Der mit einer solchen Kombination aus einem Differenzdrucksensor mit Laminarflowelement erzielbare Messbereichsumfang liegt typischerweise im Bereich von 1:10 bis 1:20 zwischen dem kleinsten innerhalb der geforderten Messgenauigkeit erfassbaren Messwert und dem maximal erfassbaren Messwert. Soll der Messbereichsumfang erweitert werden, wird typischerweise auf einen zweiter Messbereich mit einem weiteren Differenzdrucksensor mittels eines Ventils umgeschaltet. Der kleinste Messwert und dessen Messgenauigkeit werden durch das Auflösungsvermögen und die Reproduzierbarkeit der Drucksensorik und durch die Fehlereinflüsse der Gasprobenahmevorrichtung und der verwendeten Drucksensorik bestimmt. Der maximal erfassbare Wert ist sowohl durch den im Messbetrieb der Anordnung für eine zuverlässige Messung maximal zulässigen Druckabfall, als auch durch oberhalb einer bestimmten Durchflussmenge nicht mehr wirksame Laminarisierung durch das Laminarflowelement gegeben. Eine nicht mehr wirksame Laminarisierung hat zur Folge, dass der lineare Zusammenhang zwischen Druckabfall und Durchflussrate nicht mehr gegeben ist.
Ein wesentliches Element bezüglich der Messgenauigkeit an der unteren Grenze des Messbereichs ist dabei die systematische Messgenauigkeit des Drucksensors. Drucksensoren unterliegen in den erreichbaren Genauigkeiten den Einflussgrößen der Umgebung, besonders Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck. Insbesondere bei einem Drucksensor, der den Druck als Messgröße mittels einer Auslenkung einer Messmembran erfasst, beeinflusst einerseits der Umgebungsdruck über eine Druckvorspannung der Membran, andererseits die Umgebungstemperatur über eine thermisch bedingte Längenausdehnung der Membran das Messergebnis.
In der DE 10131688 B4 ist ein Drucksensor beschrieben, bei welchem der Einfluss Umgebungstemperatur durch die Wahl einer geeigneten Materialkombination der der Messmembran kompensiert wird. Der Einfluss des Umgebungsdrucks auf das Messergebnis ist nicht mit Hilfe einer geeigneten Materialkombination als konstruktives Merkmal kompensierbar.
Die DE 2823315 beschreibt eine Steuerung einer Röhrchenpumpe mit einem konstanten Druckabfall über dem Prüfröhrchen als Regelgröße.
Die DE 19 825103 A1 beschreibt eine Volumensteuerung einer Prüfröhrchenpumpe, wobei zur Steuerung des Volumens ein Druckdifferenzsensor in Kombination mit einem Strömungswiderstand Verwendung findet.
Ein Laminarflowelement (LFE) stellt in einer solchen Anwendung einen Strömungswiderstand dar, mit der Besonderheit, dass die Strömung in einem definierten Strömungsbereich laminarisiert wird.
In der DE 19 825103 A1 wird der Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Bestimmung des durch das Prüfröhrchen hindurch geförderten Volumens nicht mit berücksichtigt.
Zu einer universellen Verwendbarkeit der Röhrchenpumpe für verschiedene Typen von Gasspürröhrchen ist es erforderlich, dass die Fördermenge der Röhrchenpumpe an die verschiedenen Typen von Gasspürröhrchen anpassbar ist. Dazu ist es vorteilhaft, dass die Röhrchenpumpe mit einem konstanten Unterdruck von beispielsweise 100 mbar die Messgasmenge durch das Prüfröhrchen hindurch saugt, wie es auch in der US 5295790 A beschrieben ist.
Je nach Röhrchentyp und dessen Strömungswiderstand stellt sich eine Durchflussrate von 50–60 ml/min bis hin zu 2–3 l/min ein. Die über den Differenzdrucksensor in Kombination mit einem Laminarflowelement erfasste Durchflussrate wird zu einem Gasvolumen aufintegriert und mit dem für den Röhrchentyp spezifischen Sollvolumen verglichen. Bei Erreichung des Sollvolumens wird die Pumpe abgeschaltet.
Für eine nachfolgende colorimetrische Auswertung und die insgesamt erzielbare Messgenauigkeit ist es unbedingt erforderlich, dass das Sollvolumen der durch das Prüfgasröhrchen aus der Messumgebung gesaugten Gasmenge sehr präzise eingehalten wird. In Verbindung mit dem durch die Vielfalt der Röhrchentypen geforderten weiten Messbereichsumfang ergibt sich die Schwierigkeit, mit einer einzigen Kombination aus Differenzdrucksensor und Laminarflowelement über einen großen Messbereichsumfang eine Durchflussmenge präzise, wiederholbar und mit gleichbleibender Relativ-Genauigkeit im Bereich < 5% zu realisieren, um die Anforderungen an die Einhaltung der für die unterschiedlichen Röhrchentypen spezifischen Sollvolumina zu gewährleisten. Dazu ist es erforderlich, dass neben der Kompensation des Einflusses der Umgebungstemperatur auf die Messgenauigkeit des Differenzdrucksensors der Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Messgenauigkeit des Differenzdrucksensors ebenfalls kompensiert wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher,
ein Verfahren zum Betrieb einer Gasprobenahmevorrichtung zur colorimetrischen Gasanalyse anzugeben,
so dass eine genaue Einhaltung des durch das Prüfgasröhrchen hindurch geförderten Begasungsvolumens gegeben ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Geeignete Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine Gasprobenahmevorrichtung zur colorimetrischen Gasanalyse besteht erfindungsgemäß aus einer Fördereinrichtung zur Förderung eines vorbestimmten und definierten Volumens der Umgebungsluft durch ein Prüfgasröhrchen hindurch. Nachdem ein vorbestimmtes, für einen bestimmten Typ eines Prüfgasröhrchens typisches, Volumen das Prüfgasröhrchen durchströmt hat, ist ein Bestandteil eines in der Umgebungsluft vorhandenen gesuchten Schadgases durch einen am Prüfgasröhrchen ersichtlichen Farbumschlag feststellbar. Als Fördereinrichtung wird vorzugsweise eine geregelte Pumpe eingesetzt, die durch einen Unterdruck die Umgebungsluft durch das Prüfgasröhrchen hindurch ansaugt. Die Pumpe wird in Druckniveau geregelt, die durch das Prüfgasröhrchen geförderte Menge an Luft wird mittels einer Durchflussmessung und einer Summation zu einem Volumen überwacht und bei Erreichung eines vorbestimmten Zielvolumens wird die Förderung der Luft durch das Prüfgasröhrchen durch eine Abschaltung der Pumpe beendet. Die zur Überwachung des Volumens eingesetzte Durchflussmessung besteht aus einem als Laminarflowelement ausgebildeten Strömungswiderstand und einem Differenzdrucksensor, wobei der Differenzdrucksensor einen der durchfließenden Strömung proportional abfallenden Druckabfall erfasst. Der Druckabfall wird mittels einer systematischen Druck-zu-Durchfluss-Kennlinie des Laminarflowelementes in einen Durchflusswert umgerechnet. Diese Anordnung aus Laminarflowelement und Differenzdrucksensor ist besonders vorteilhaft, da einerseits keine Energie in das Gas eingebracht wird, das unter bestimmten Umständen aus einem zündfähigen Gasgemisch bestehen könnte, wo jeglicher Energieeintrag in jedem Fall zu vermeiden ist, wie beispielsweise bei einem Hitzdrahtsensor, andererseits keine beweglichen Teile erforderlich sind, welche die Anordnung empfindlich gegen Erschütterungen machen würde, wie es beispielsweise bei einem Rotations-Durchflussmesser gegeben ist. Um eine einfache und robuste Abordnung zu erzielen verwendet die erfindungsgemäße lediglich einen einzigen Differenzdrucksensor zur Erfassung des am Laminarflowelement abfallenden Differenzdrucks. Da für den Messbereichumfang wegen der Verwendungsmöglichkeit verschiedener Prüfgasröhrchen von 0,05 L/min bis zu 2 L/min eine Messspanne von nahezu 1:40 bedingt, wären mehrere Differenzdrucksensoren und zusätzliche Umschaltmittel, wie beispielsweise Ventile erforderlich. Solche zusätzlichen Umschalt haben eine gewisse Fehleranfälligkeit gegen Erschütterungen und funktionieren nur für eine begrenzte Anzahl von Schaltvorgängen zuverlässig und präzise. Dies widerspricht dem Ansatz einer einfachen und robusten Anordnung. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Messspanne einer Anordnung aus einem Differenzdrucksensor und einem Laminarflowelement durch eine Kalibrierung des Differenzdrucksensors in einem Kalibrier-Verfahren und eine Verwendung der während der Kalibrierung gewonnenen Kalibrierwerte im Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung zu erweitern.
Eine erfindungsgemäße Gasprobenahmevorrichtung besteht aus einer Anordnung mit einem Anschlusselement zur Verbindung mit einem Prüfgasröhrchen, einem Filterelement zur Zurückhaltung von Verunreinigungen, einem als Laminarflowelement ausgebildeten Strömungswiderstand, einem Puffervolumen, einem ersten Drucksensor zur Erfassung des am Prüfgasröhrchen anliegenden Unterdrucks gegenüber der Umgebung, einem zweiten Drucksensor zur Erfassung des Druckabfalls über dem Strömungswiderstand, einer Pumpe zur Erzeugung des Unterdrucks und zur Ansaugung von Luft aus der Messumgebung in das Prüfgasröhrchen und einem Gasauslasselement zur Fortführung der von der Pumpe geförderten Gasmenge an die Umgebung. Weiterhin ist ein Datenspeicher zur Speicherung von Kalibrier- und Statusdaten vorgesehen. Als weiteres Element ist eine Steuerungs- und Regeleinheit in der Vorrichtung angeordnet, welche die Signale der Drucksensoren erfasst und aufbereitet, Daten in Speicherbereiche des Datenspeichers schreibt und/oder aus dieser ausliest, sowie in einem Regelkreis aus dem Vergleich zwischen Sollwerten und Istwerten einen Stellwert zur Ansteuerung der Pumpe ermittelt, in eine elektrische Stellgröße umwandelt und die Pumpe ansteuert. Die Aufbereitung der Signale in der Steuerungs- und Regeleinheit umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung Signalverstärkungselemente, analoge und/oder digitale Signalfilterungselemente, Analog-zu Digital-Wandlungselemente und Methoden zur Signalverbesserung, wie Mittelwertbildung, Rausch- und Störsignalunterdrückung. Der Regelkreis zur Regelung eines Druckniveaus in der Gasprobenahmevorrichtung umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl in analoger Technologie umgesetzte Regelungselemente, wie auch digitale Regelkreise, als auch Kombinationen aus analogen und digitalen Regelkreiselementen. Die Umwandlung der Stellwerte am Ausgang des Regelkreises in elektrische Stellgrößen zur Pumpenansteuerung erfolgt dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung durch eine Digital- zu Analog-Umwandlung mittels Digital- zu Analog-Wandlungselementen und/oder Signal-Verstärkung-, Pufferungs- und Treiber-Stufen. Weiterhin können die Signale der erfindungsgemäß in der Gasprobenahmevorrichtung vorgesehenen Drucksensoren sowohl als analoge Spannungs- oder Stromsignale, beispielsweise in Form einer 0–10 V-Spannungs- oder 4–20 mA-Strom-Schnittstelle der Steuerungs- und Regeleinheit zugeführt werden, als auch als digital ausgebildete Datenschnittstelle, beispielsweise in Form einer Feldbus oder Industriebus-Schnittstelle mit einer Datenkommunikation nach einem vorgegebenen Protokoll (CAN-Bus, HART-Interface, LAN, Ethernet, Profibus, Interbus) der Steuerungs- und Regeleinheit zugeführt werden. Die digitale Ausbildung der Schnittstelle kann dabei auf der Signalebene durch Modulationsverfahren (FSK, PSK) in Kombination mit einer Energieversorgung der der Sensoren erfolgen. Die Pumpe wird beim Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung von der Steuerungs- und Regeleinheit angesteuert, in der Pumpleistung geregelt und auch in den Ruhezustand versetzt. Durch die Pumpe wird eine Messgasmenge aus der Messumgebung über das Anschlusselement durch das Prüfgasröhrchen hindurch gesaugt, wobei die geförderte Gasmenge in serieller Anordnung zunächst das Prüfgasröhrchen, dann das Filterelement, das Laminarflowelement, danach das Puffervolumen, anschließend die Pumpe durchströmt und schließlich durch das Gasauslasselement in die Umgebung abströmt. Der erste Drucksensor ist als Absolutdrucksensor ausgebildet und mit einem ersten Messanschluss am Eingang des Laminarflowelementes angeordnet. Der erste Drucksensor erfasst den am Eingang des Laminarflowelementes aktuell anstehenden Absolutdruck. Der zweite Drucksensor ist als Differenzdrucksensor ausgebildet und mit einem zweiten Messanschluss am Eingang des Laminarflowelementes angeordnet und mit einem dritten Messanschluss am Ausgang des Laminarflowelementes angeordnet. Der zweite Drucksensor erfasst den über dem Laminarflowelement abfallenden Druck als Differenzwert. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuerungs- und Regeleinheit, welche die Signale des ersten und zweiten Drucksensors aufnimmt und die Ansteuerung der Pumpe übernimmt, sowie einem Datenspeicher zur Ablage von Kenndaten und Kalibrierdaten und eine Energieversorgungseinheit zur Versorgung der Gasprobenahmevorrichtung mit elektrischer Energie.
In einer besonderen Ausgestaltungsvariante ist die Gasprobenahmevorrichtung mit erweiterten Komponenten und Funktionalitäten versehen, um den Betrieb und Ablauf von Messbetrieb und Kalibrierung im Zusammenspiel mit dem Anwender zu gestalten. Dazu ist eine Datenschnittstelle vorgesehen, um Daten, wie beispielsweise Statusmeldungen, wie Energieversorgungsstatus, Zustand der Drucksensoren, der Pumpe, des Filterelementes oder des Laminarflowelementes, sowie Signale der Drucksensoren unidirektional oder bidirektional mit externen Geräten auszutauschen. Ein solches externes Gerät ist beispielsweise ein Prüfmittel, dass für eine Endprüfung oder Kalibrierung erforderlich ist. Das externe Gerät ist mit der Datenschnittstelle verbunden, die Verbindung kann direkt oder indirekt ausgeführt sein. Eine direkte Verbindung kann eine elektrische oder optische Leitungsverbindung sein, eine indirekte Verbindung kann als eine telemetrische, induktive oder infrarot-optische Verbindung ausgestaltet sein. Dabei können auch zusätzliche Datenübertragungselemente, wie Drahtgebundene (LAN) oder drahtlose (WLAN) Netzwerke zur Realisierung der Verbindung zwischen der Gasprobenahmevorrichtung und dem externen Gerät mit eingebunden sein. Dies ermöglicht eine ferngesteuerte Zustandserfassung und Zustandsüberwachung, sowie eine ferngesteuerte Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtung. Weiterhin kann eine Leseeinheit, beispielsweise ein Lesegerät für Strichkodierungen (Barcode) oder Radiofrequenz-Identifikation (RFID) an die Datenschnittstelle angebunden sein, um spezifische Daten der Prüfgasröhrchen einzulesen. Eine solche Leseeinheit 13 kann dabei beispielsweise sein und sowohl ein Bestandteil der Gasprobenahmevorrichtung sein, als auch als ein externes Gerät über die Datenschnittstelle mit der Gasprobenahmevorrichtung verbunden sein. Die Prüfgasröhrchen oder die Verpackung der Prüfgasröhrchen enthält in einem solchen Fall entsprechende Identifizierungselemente wie Barcode oder RFID-Transponder (RFID-Tag).
Die Energieversorgung der Gasprobenahmevorrichtung ist in einer besonderen Ausführung als mobiles Handgerät in Form eines Batteriemoduls ausgeführt, wobei sowohl Primärbatterien als auch wieder aufladbare Batterien (Akkumulatoren) für einen mobilen Einsatz geeignet sind. Für einen temporären stationären Einsatz kann Zusätzlich ein Anschluss eines externen Netzteils als direkte Versorgung der Gasprobenahmevorrichtung und/oder zur Ladung der aufladbaren Batterien vorgesehen sein. In einer besonderen Weise kann die Energieversorgung in Form einer induktiven Lade- und Haltevorrichtung ausgeführt sein, wobei in einer weiteren die Datenschnittestelle mit der induktiven Lade- und Haltevorrichtung kombiniert angeordnet ist, so dass elektrische Energieversorgung und Datenaustausch zwischen der Gasprobenahmevorrichtung und externen Geräten gegeben ist, ohne dass zusätzliche Verbindungen erforderlich sind. Im Sinne der Erfindung sind sowohl die beschriebenen Varianten der Gasprobenahmevorrichtung mit den genannten Komponenten umfasst, als auch Lösungen in denen einzelne Komponenten miteinander kombiniert sind, so wie es beispielsweise durch die Verwendung eines Mikrokontrollers (μC) oder programmierter Logik-Bausteine möglich ist, Datenschnittstellen, Datenprotokoll-Umsetzung, Steuerungs- und Regelungskomponenten, Signalumsetzung wie Analog-/Digital-Wandlung oder Digital-/Analogwandlung und Signalverarbeitung, wie Filterung und mathematische Funktionen in kompakten Modulen zu realisieren.
In einer alternativen Ausführungsform ist ein dritter Drucksensor vorhanden, der den aktuellen barometrischen Luftdruck der Umgebung erfasst und an die Steuerungs- und Regeleinheit weitergibt.
Im Messbetrieb erzeugt die Pumpe einen vorgegeben Unterdruck, dessen Einhaltung mit Hilfe des ersten Drucksensors in Verbindung mit der Steuerungs- und Regeleinheit überwacht wird. Mit Hilfe des zweiten Drucksensors wird der Verlauf des über dem Laminarflowelement anstehenden Differenzdruckes als Funktion der Zeit erfasst und mit Hilfe der systematischen Druck-zu-Durchfluss-Kennlinie des Laminarflowelementes in einen Durchflusswert umgerechnet.
Bei der Umrechnung des Differenzdruckwertes in den Durchflusswert werden ein erster und ein zweiter Korrekturparameter verwendet. Die Umrechnung der Differenzdruckmesswerte in ein das Prüfgasröhrchen durchströmtes Volumen erfolgt durch eine Summation über zu einem Volumenstrom verrechneten Differenzdruckmesswerte nach dem bestimmten Integral gemäß der unten angegebenen Formel 1. Das Volumen V ergibt sich als Intergral über einen Volumenstrom als Funktion der Zeit.
Der Volumenstrom [V .] ergibt sich als eine Funktion [t], der Differenzdruckmesswerte ΔP und des ersten Korrekturparameters [k1] und als Funktion der strömungstechnischen Eigenschaften des Laminarflowelementes [LFE] und als Funktion des zweiten Korrekturparameters [k2].
Dabei bezeichnen:

V .:: den Volumenstrom,
V_sum:: das Volumen, das durch das Prüfgasröhrchen und das Laminarflowelement mit Hilfe der Pumpe gefördert wird,
t1:: den Startzeitpunkt zur Summation unter dem bestimmten Integral,
t2:: den Stoppzeitpunkt der Summation unter dem bestimmten Integral,
k1:: den ersten Korrekturparameter,
k2:: den zweiten Korrekturparameter,
dt:: die Zeit als Bezugsgröße des bestimmten Integrals,
LFE:: die strömungstechnischen Eigenschaften des Laminarflowelementes

Der erste Korrekturparameter (k1) berücksichtigt eine Nullpunktverschiebung des Signals des als Differenzdrucksensor ausgebildeten zweiten Drucksensors, d. h. dass auch für den Fall, dass der Differenzdruck am zweiten Drucksensor den realen Wert Null darstellt, vom zweiten Drucksensor ein von Null abweichendes Signal ausgegeben wird. Der zweite Korrekturparameter (k2) berücksichtigt die strömungstechnischen Eigenschaften, wie etwa den typischen Strömungswiderstand des Laminarflowelementes in Kombination mit bestimmten, vorgegebenen und bekannten Gaseigenschaften, wie beispielsweise Dichte, Viskosität, Feuchtigkeitsgehalt, Temperatur, Temperatureigenschaften der Viskosität. Der zweite Korrekturparameter berücksichtigt damit neben den im Strömungswiderstand eher mechanisch definierten Eigenschaften des Laminarflowelementes den jeweiligen systematischen Zusammenhang zwischen Durchflussmenge und Druckabfall für unterschiedliche technische Gase, sowie die Differenzdruckmessung ebenfalls beeinflussenden Strömungsverhältnisse am Eingang und Ausgang des Laminarflowelementes. Das Integral des Durchflusswertes wird kontinuierlich über die seit dem Start der Messung vergangene Messzeit gebildet und als ein Volumenwert kontinuierlich aktualisiert, in einen Volumenwert auf Standardbedingungen (1013 mbar, 20°C) umgerechnet und mit einem vorgegebenen Sollvolumen verglichen. Sobald das aktuelle, in Standardbedingungen umgerechnete Volumen das vorgegebene Sollvolumen überschreitet, wird die Pumpe so angesteuert, dass kein weiteres Volumen mehr gefördert wird. In der Anordnung findet ein Druckausgleich auf den aktuellen Umgebungsdruck statt, sodass die Druckdifferenz in der gesamten Anordnung und auch über dem Laminarflowelement gegen Null strebt, wobei nach vollständigem Druckausgleich der erste Drucksensor den aktuellen Umgebungsdruck erfasst und der zweite Drucksensor kein strömungsbedingtes Signal mehr erfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung verwendet zur Ermittlung des ersten Korrekturparameters und zur Kalibrierung des als Differenzdrucksensors ausgebildeten zweiten Drucksensors ein Kalibrierungsverfahren. Die Kalibrierung dient der Kompensation des Einflusses des Umgebungsdrucks auf die Messgenauigkeit des Differenzdrucksensors. Der Umgebungsdruck bewirkt eine Verschiebung des Nullpunktes des Differenzdrucksensors. Der auf den Differenzdrucksensor wirkende Umgebungsdruck ist abhängig vom Einsatzort, d. h. von der barometrischen Höhe des Einsatzortes, beispielsweise in Höhenlagen oberhalb von 1000 Metern in Gebirgen oder in küstennahen Regionen mit einer Höhe von ungefähr 100 Metern, sowie von der aktuellen Wettersituation. Diese durch die Lage von Hoch- und Tiefdruckgebieten bedingten Schwankungen am Einsatzort sind nicht vorhersagbar und müssen daher durch eine Nach-Kalibrierung am Einsatzort nach der Endüberprüfung des Gerätes nach der Produktion mit berücksichtigt werden. Die Kalibrierung bei der Endüberprüfung des Gerätes ermittelt als eine Erst-Kalibrierung aus den aktuellen Korrekturparametern k1, k2 einen initialen Kalibrier-Datensatz mit einem ersten initialen und einem zweiten initialen Korrekturparameter k11, k22 für einen vorgegebenen Bereich des Umgebungs-Luftdrucks in Kombination mit den Eigenschaften des Gases und dem durch die Pumpe erzeugbaren Bereich des Unterdrucks und legt diese initialen beiden Korrekturparameter k11, k22 in einem initialen Kalibrierdatensatz in einem Datenspeicher im Gerät ab.
Im Anschluss an die Erstkalibrierung sind die initialen Korrekturparameter k11, k22 mit den aktuellen Korrekturparametern k1, k2 identisch und der initiale und der aktuelle Kalibrierdatensatz sind beide im Datenspeicher abgelegt. Diese initialen Kalibrierwerte ermöglichen im späteren Einsatz des Gerätes eine Erhöhung der Genauigkeit des geförderten Prüfgas-Volumens, sowie eine Überprüfung der Gerätefunktion und eine Anpassung von Parameterwerten, sowie eine Analyse der bei der Nach-Kalibrierung ermittelten Korrekturparameter. Die Kalibrierung wird erfindungsgemäß an mindestens zwei Kalibrierpunkten durchgeführt. Der erste Kalibrierpunkt ist der strömungsfreie Zustand bei einem ersten Druckniveau mit Umgebungsdruck am ersten und zweiten Drucksensor. Der mindestens zweite Kalibrierpunkt ist ein strömungsfreier Zustand bei einem zweiten Druckniveau bei einem definierten Betriebs-Unterdruck am ersten und zweiten Drucksensor. Die Differenz zwischen dem Differenzdruckmesswert des zweiten Drucksensors am ersten Kalibrierpunkt und dem Differenzdruckmesswert des zweiten Drucksensors am zweiten Kalibrierpunkt stellt die Abhängigkeit der Differenzdruckmessung des zweiten Drucksensors vom innerhalb der Gasprobenahmevorrichtung herrschenden Druckniveau dar. Dies stellt eine systematische Abhängigkeit dar und wird als ein Gleichtaktanteil, auch als „Common Mode Offset” bezeichnet, des zweiten Drucksensors definiert und als erster Korrekturparameter in den Datenspeicher abgelegt. Dieser Gleichtaktanteil stellt in Bezug auf die Genauigkeit der Differenzdruckmessung eine wesentliche Fehlerquelle dar. Das folgende Beispiel verdeutlicht den Fehlereinfluss. Für einen ersten Typ eines Prüfgasröhrchens wird an einem Arbeitspunkt Umgebungsluft mittels einer Pumpe mit einem Unterdruck von 100 mbar durch das Prüfgasröhrchen hindurch angesaugt. Die Pumpe wird in dem Arbeitspunkt auf die Einhaltung des Unterdruckniveaus von 100 mbar ausgeregelt, sodass sich bei diesem bestimmten Prüfgasröhrchentyp ein Durchfluss von 2 Litern je Minute einstellt. Diese 2 Liter je Minute verursachen an einem Laminarflowelement einen Druckabfall von 50 mbar. Dieser Druckabfall wird mit dem als Differenzdrucksensor ausgebildeten zweiten Drucksensor erfasst. Das Laminarflowelement besteht in diesem Fall aus 2 parallelen Einzelröhrchen der Gesamtlänge von ungefähr 50 Millimeter mit einem jeweiligen Innendurchmesser von 0,8 mm. Eine andere Gestaltung des Laminarflowelements in Bezug die Kombination der Anzahl von Einzelröhrchen, des Innendurchmessers der Einzelröhrchen und der Baulänge, eine spiralförmige Aufwicklung zur Einsparung von Baulänge oder eine Teilung des Laminarflowelementes in eine serielle Anordnung mehrerer Einzelelemente ist konstruktiv gleichwertig gestaltbar und ergibt sich im Wesentlichen aus den konstruktiv bedingten Randbedingungen der Gasprobenahmevorrichtung.
Wird mit der gleichen Anordnung ein zweiter Typ eines Prüfgasröhrchens betrieben, so stellt sich aufgrund eines höheren Strömungswiderstandes des zweiten Typs an dem Arbeitspunkt von 100 mbar ein Durchfluss von 0,05 Litern je Minute ein. Dieser Durchfluss von Litern je Minute verursacht an dem Laminarflowelement einen Druckabfall von 1 mbar. Der typische, durch den Gleichtaktanteil bedingte Fehler eines Differenzdrucksensors liegt im Bereich von 1,5‰ bezogen auf das Druckniveau, das innerhalb der Gasprobenahmevorrichtung auf den zweiten Drucksensor wirkt. Bezogen auf den in diesem Beispiel gewählten Arbeitspunkt von 100 mbar ergibt dies einen Wert von 0,15 mbar. Daran wird deutlich, dass für die Druckdifferenz von 1 mbar, die bei Verwendung des zweiten Typs von Prüfgasröhrchen am Laminarflowelement abfällt, ein Fehlereinfluss von 0,15 mbar die erzielbare Messgenauigkeit in einen Bereich von > 10% verschiebt. Für eine genaue und reproduzierbare Messung ist aber eine Volumengenauigkeit von < 5% erforderlich, davon leitet sich eine Genauigkeitsanforderung von ± 0,05 L/min für die Durchflussmessung ab, die wiederum für die gewählte Anordnung mit dem Laminarflowelement aus 2 parallelen Metallröhrchen der Länge von ungefähr 50 Millimeter eine Messgenauigkeit von < 0,05 mbar und eine Nullpunkttoleranz des als Differenzdrucksensor ausgebildeten zweiten Drucksensor von 0,02 mbar ergibt. Messungen haben ergeben, dass der durch den Gleichtaktanteil bedingte Fehlereinfluss ein systematischer Fehlereinfluss ist, der im Wesentlichen vom Druckniveau des Arbeitspunktes abhängig ist und durch eine Kalibrierung am Arbeitspunkt für die im Einsatz folgenden Messungen systematisch eliminiert werden kann. Die Messungen haben weiter ergeben, dass die Kalibrierung an zwei Kalibrierpunkten, beispielsweise an einem ersten Kalibrierpunkt mit Umgebungsdruck im System und einem zweiten Kalibrierpunkt mit 100 mbar Unterdruck im System bezogen auf den Umgebungsdruck, ausreichend ist und auf einen Unterdruck-Bereich in der Anwendung von 0 mbar bis 300 mbar der Gleichtaktanteil linear interpoliert werden kann. Der unterschiedliche Umgebungsdruck zwischen dem Kalibrierpunkt bei der Endüberprüfung des Gerätes und dem Arbeitspunkt bei Einsatz des Gerätes wirkt sich nicht wesentlich aus, da das Gerät am Kalibrierpunkt und am Arbeitspunkt jeweils in Bezug auf den jeweils aktuellen Umgebungsluftdruck betrieben wird. Lediglich der Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung in extrem unterschiedlichen Höhenlagen, wie beispielsweise auf Meeresniveau oder in hochgelegenen Bergregionen oberhalb von tausend Metern kann eine zusätzliche Kalibrierung am Einsatzort erforderlich machen, da dann der Einfluss der Umgebungsdrucks auf das Gehäuse des Differenzdrucksensors einen geringen Einfluss auf den Gleichtaktanteil hat. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtung mit einer Ermittlung des Gleichtaktanteils des als Differenzdrucksensor ausgebildeten zweiten Drucksensors ist aber auch geeignet, eine zusätzliche Kalibrierung am Einsatzort vornehmen zu können. Ein zusätzlicher Einfluss auf den Gleichtaktanteil ergibt sich prinzipiell noch aus den auf den Drucksensor wirkenden Gas- und Umgebungstemperaturen. Dieser Fehlereinfluss wird bereits durch die Wahl eines geeigneten Differenzdrucksensors vermieden. Eine konstruktive Gestaltung zur Verringerung der Temperaturabhängigkeit eines Drucksensors ist in der EP 0392486 A1 und auch in der DE 3937641 A1 beschrieben. Damit wirkt sich ein Temperaturunterschied zwischen dem Kalibrierpunkt bei der Endüberprüfung des Gerätes und dem Arbeitspunkt bei Einsatz des Gerätes nicht aus. Ein weiterer Einfluss ist durch den Feuchtigkeitsgehalt des Kalibriergases bei der Endüberprüfung des Gerätes und dem Gas in der Messumgebung gegeben. Dies ist durch die Verwendung eines zusätzlichen Feuchtigkeitssensors kompensierbar, hat in der Realität aber keine Auswirkungen, da in den meisten Typen von Prüfgasröhrchen eine sogenannte Trockenschicht nahe am Gaseinlass angeordnet ist, damit die Nachweisreagenz im Prüfgasröhrchen mit einem im Wesentlichen trockenen Gas reagieren kann. Dies ergibt, dass in der Gasprobenahmevorrichtung, also auch durch den als Differenzdrucksensor ausgebildeten zweiten Drucksensor im Wesentlichen trockenes Gas hindurch strömt. Damit ist der während der Kalibrierung ermittelte Gleichtaktanteil die wesentliche Einflussgröße auf die Messgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Gasprobenahmevorrichtung und kann für den Einsatz der Gasprobenahmevorrichtung im Messbetrieb und für eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Gasprobenahmevorrichtung verwendet werden. Die Einbeziehung des während der Kalibrierung ermittelten Gleichtaktanteils des als Differenzdrucksensor ausgebildeten zweiten Drucksensors wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung und in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung als einem weiteren Bestandteil der Erfindung beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtung mit einer Ermittlung des Gleichtaktanteils des als Differenzdrucksensor ausgebildeten zweiten Drucksensors wird im Folgenden schrittweise erläutert.
Am Beginn der Kalibrierung ist die Gasprobenahmevorrichtung am Anschlusselement gegenüber Umgebungsdruck offen und in einem ersten Schritt wird die Pumpe von einer Steuerungs- und Regeleinheit in den Ruhezustand versetzt, es wird anschließend ein erster Druckdifferenzmesswert X2_D1 des zweiten Drucksensors erfasst und an die Steuerungs- und Regeleinheit übergeben.
Zur Überprüfung eines strömungsfreien Zustandes wird einem zweiten Schritt der erste Druckdifferenzmesswert X2_D1 des zweiten Drucksensors auf Schwankungen überwacht. Eine Schwankungsüberwachung kann beispielweise durch eine Analyse der Varianz und/oder der Standardabweichung, sowie des zeitlichen Verlaufs von Varianz und/oder Standardabweichung erfolgen. Falls keine signifikanten Messwertschwankungen vorliegen, kann von einem strömungsfreien Zustand ausgegangen werden. In diesem strömungsfreien Zustand wird nun in einem dritten Schritt ein Umgebungsdruckmesswert X13_A mit Hilfe des ersten Drucksensors erfasst und an die Steuerungs- und Regeleinheit übergeben. Dieser erste Umgebungsdruckmesswert X1_A repräsentiert den zu diesem Zeitpunkt auf die Gasprobenahmevorrichtung und innerhalb der gesamten Gasprobenahmevorrichtung äußerlich wirkenden Umgebungs-Luftdruck. In einem vierten Schritt wird die Gasprobenahmevorrichtung mindestens einseitig verschlossen, sodass keine Konvektions-Einflüsse die Kalibrierung beeinflussen können. In einem fünften Schritt wird an einem ersten Kalibrierpunkt, einem strömungslosen Zustand bei Umgebungsluftdruck, ein zweiter Druckdifferenzmesswert X2_D2 des zweiten Drucksensors erfasst und an die Steuerungs- und Regeleinheit übergeben. Dieser zweite Druckdifferenzmesswert X2_D2 wird auf Schwankungen überwacht. es wird zur Schwankungsüberwachung die gleiche Methodik angewendet, wie im zweiten Schritt des Kalibrierungsverfahrens beschrieben. In einem sechsten Schritt werden ein erster Kalibriermesswert X1_K0 des ersten Drucksensors und ein zweiter Kalibriermesswert X2_K0 erfasst und an die Steuerungs- und Regeleinheit übergeben. Aus dem Umgebungsdruckmesswert X13_A und der für eine Messung von Prüfgasröhrchen typische Unterdruckvorgabe VP_K1 von beispielsweise 100 mbar wird in einem siebten Schritt ein Solldruckwert Y_K1 für die Ansteuerung der Pumpe im zweiten Kalibrierpunkt ermittelt. Dieser Solldruckwert Y_K1 gibt den Druckwert vor, der in einem achten Schritt im zweiten Kalibrierpunkt am Ausgang des Filterelements, bzw. am Eingang des Strömungswiderstandes (Laminarflowelementes) durch den ersten Drucksensor erfasst wird und auf den die Pumpe zur Erreichung eines zweiten Druckniveaus im zweiten Kalibrierpunkt mit Hilfe der Steuerungs- und Regeleinheit ausgeregelt. Nach der Erreichung des zweiten Druckniveaus als zweitem Kalibrierpunkt wird im achten Schritt, mit der gleichen Methodik wie auch im zweiten Schritt überwacht, ob ein konvektions- und strömungsfreier Zustand gegeben ist. In diesem zweiten strömungsfreien Zustand wird nun in einem neunten Schritt ein dritter Kalibriermesswert X1_K1 des ersten Drucksensors und ein vierter Kalibriermesswert X2_K1 des zweiten Drucksensors erfasst. Der vierte Kalibriermesswert X2_K1 des zweiten Drucksensors zeigt im Vergleich mit dem zweiten X2_K0 des zweiten Drucksensors die Abhängigkeit des zweiten Drucksensors von einem Einfluss des durch den Solldruckwert Y_K1 gegebenen Druckniveaus, der für das Wertepaar X1_K1, X2_K1, bei einem zweiten Druckniveau von in diesem Fall 100 mbar unterhalb des ersten Druckniveaus Umgebungsdruck, gegeben durch das Wertepaar X1_K0, X2_K0 auf. Die Differenz X2_K0 – X2_K1 = X2_{Bias_1-0} gibt als ein erster Gleichtaktwert X2_{Bias_1-0} den Gleichtaktanteil (Common-Mode-Offset) des zweiten Drucksensors an, der von einer identischen Änderung des durch den Unterdruck hervorgerufenen Druckdifferenz zum Umgebungsdruck an den beiden Anschlussseiten des zweiten Drucksensors hervorgerufen wird. In optionaler Weise kann im achten Schritt ein zusätzlicher dritter Kalibrierpunkt mit einem dritten Druckniveau angefahren werden, indem die Prozedur zur Erreichung des dritten Druckniveaus in der gleichen Weise durchgeführt wird, wie für den zweiten Kalibrierpunkt beschrieben, mit dem Unterschied, dass ein drittes, vom zweiten Druckniveau abweichenden Druckniveau von beispielsweise 300 mbar angesteuert wird und ein drittes Wertepaar X1_K2, X2_K2 erfasst und ein zweiter Gleichtaktwert X2_{Bias_2-0} ermittelt wird. Die Kalibriermesswerte X2_{Bias 1-0}, X2_Bias2-0 (Gleichtaktwerte, Common-Mode-Offset) des zweiten Drucksensors werden in einem zehnten Schritt mit den Kalibriermesswerten X1_K0, X1_K1, X1_K2 des ersten Drucksensors in eine funktionale Beziehung als eine Gleichtaktverstärkung G_Bias = (X2_K0 – X2_K1)/(X1_K0 – X1_K1) überführt. Eine solche funktionale Beziehung kann auf Basis der Kalibriermesswerte in geeigneter Weise mit Hilfe einer Ausgleichsfunktion, beispielsweise durch lineare oder nichtlineare Interpolation bestimmt werden. Zur weiteren Verwendung wird in einem elften Schritt die Gleichtaktverstärkung G_Bias als ein erster Korrekturparameter k1 im Kalibrierdatensatz im Datenspeicher abgelegt. Nach der Ablage des Kalibrierdatensatzes im Datenspeicher im elften Schritt wird die Pumpe abgeschaltet und die Kalibrierung ist beendet.
In einer optionalen Erweiterung des Kalibrierverfahrens wird am Ende der Kalibrierung die Kalibrierung erfindungsgemäß als eine erweiterte Kalibrierung mit weiteren Schritten fortgesetzt, um den initialen zweiten Korrekturparameter k22 oder den aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 zu ermitteln. Dazu wird im zwölften Schritt das verschlossene Anschlusselement wieder freigegeben und ein Test-Prüfgasröhrchen mit bekannten Eigenschaften und/oder Eigenschaften in einem typischen vorbestimmten Bereich, beispielsweise in einem Bereich von 0,25 Liter je Minute bis 0,300 Liter je Minute bei einer Druckdifferenz von 100 mBar mit dem Anschlusselement der Gasprobenahmevorrichtung verbunden. Anschließend wird im dreizehnten Schritt die Pumpe wieder eingeschaltet und durch Beobachtung der Messwerte des zweiten Drucksensors, einerseits im Vergleich mit dem Sollwert des Kalibrierpunktes, aber auch durch Analyse der Messwertschwankungen, wird solange abgewartet, bis der vorherige Kalibrierpunkt wieder stabil ausgeregelt ist. Zur Erfassung der Abfallkurve wird daraufhin in einem vierzehnten Schritt die Pumpe am Kalibrierpunkt abgeschaltet und das Drucksignal des ersten Drucksensors und das Differenzdrucksignal des zweiten Drucksensors erfasst und fortlaufend aufgezeichnet. Während der Dauer der Abfallkurve wird in einem fünfzehnten Schritt bei Unterschreitung eines ersten Schwellwertes des Drucksignals des ersten Drucksensors dies Differenzdrucksignal mit Hilfe der Druck-zu-Durchflusskennlinie des Laminarflowelementes in einen Durchflusswert überführt und solange integral in ein Volumen kontinuierlich aufsummiert, bis ein zweiter Schwellwert des Drucksignals des ersten Drucksensors unterschritten ist. Dies ermittelte Volumen wird in einem sechzehnten Schritt zu einem typischen Volumen der Gasprobenahmevorrichtung in ein Verhältnis gesetzt und daraus ein zweiter Korrekturfaktor k2 bestimmt. Dieser zweite Korrekturparameter k2 wird im Datenspeicher abgelegt. Das in der Gasprobenahmevorrichtung vorhandene typische Volumen setzt sich im Wesentlichen aus dem Puffervolumen zusammen und ist für eine typische Anordnung bekannt. Das typische Volumen kann zusätzlich auch in präziserer Art und Weise während einer Endüberprüfung der Gasprobenahmevorrichtung mittels einer präzisen Durchflussmessung bestimmt werden. Die Festlegung der Schwellwerte kann in geeigneter Weise in Analogie zur Definition einer sogenannten Abfallzeitkonstante T_90-10 vorgenommen und normiert werden. Bei einer Bestimmung einer T_90-10 Abfallzeitkonstante wird die Zeitdauer ermittelt, in der sich ein Signal von 90 Prozent eines Signalwertes auf 10 Prozent des Wertes verringert hat. In weiter geeigneter Weise werden die Messwerte des als Differenzdrucksensor ausgebildeten Drucksensors geglättet und um Messwert-Ausreißer und Rauschen bereinigt. Dazu bieten sich sowohl statistische und mathematische Methoden und/oder analoge Filterschaltungen und/oder digitale Filterschaltungen an. Die Kalibrierung mit den Schritten eins bis zwölf, bzw. mit den Schritten eins bis siebzehn mit der Ermittlung der ersten und zweiten Korrekturparameter k1, k2 wird erstmalig bei der Endüberprüfung des Gerätes nach der Produktion vorgenommen und die ermittelten ersten und zweiten Korrekturparameter k1, k2 werden in einem initialen Kalibrierdatensatz als ein erster initialer Korrekturparameter k11 und als ein zweiter initialer Korrekturparameter k22 im Datenspeicher gesondert abgelegt. In vielen Anwendungsfällen erfolgt die Kalibrierung als eine Nach-Kalibrierung vor jeder Messung in den Fällen, wenn eine Änderung der Luftdruckverhältnisse über den im Rahmen der erstmaligen Kalibrierung berücksichtigten Bereich des Umgebungs-Luftdrucks eine Kalibrierung erforderlich macht oder wenn bei einer automatisiert durch die Gasprobenahmevorrichtung oder vom Anwender initiierten Systemüberprüfung eine Veränderung von Komponenten festgestellt wird und/oder wenn im Zuge von Wartungsarbeiten ein Austausch von Komponenten oder eine Reinigung von Komponenten, beispielsweise des Laminarflowelementes vorgenommen werden muss.
In den Fällen der Nach-Kalibrierung wird neben dem initialen Kalibrierdatensatz ein zusätzlicher aktueller Kalibrierdatensatz mit aktuellen Korrekturparametern k1, k2 gesondert im Datenspeicher abgelegt. Aus einem Vergleich zwischen den Korrekturparametern k1 mit k11, bzw. k2 und k22 kann dann nach der Nachkalibrierung eine Aussage über die Funktionsfähigkeit der Gasprobenahmevorrichtung gewonnen werden und bei geringfügigen Unterscheiden zwischen initialen und aktuellen Korrekturparametern der Messbetrieb unter Verwendung der aktuellen Korrekturparameter fortgesetzt werden, bei signifikanten Abweichungen zwischen initialen und aktuellen Korrekturparametern wird der Anwender durch eine entsprechende Fehlermeldung von der ermittelten Abweichung in Kenntnis gesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung im Messbetrieb verwendet die während der Kalibrierung ermittelten Kalibrierdatensätze mit dem ersten Korrekturparameter zur Kompensation der druckbedingten Fehlereinflüsse auf den Differenzdrucksensor. Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messbetrieb der Gasprobenahmevorrichtung wird im Folgenden näher erläutert.
Zu Beginn des Messbetriebes wird in einem ersten Schritt die Pumpe von der Steuerungs- und Regeleinheit in den Ruhezustand versetzt und ein erster Druckdifferenzmesswert X2_D1 des zweiten Drucksensors erfasst und an die Steuerungs- und Regeleinheit übergeben. Anschließend wird in einem zweiten Schritt auf Basis des ersten Druckdifferenzmesswertes X2_D1 überprüft, ob ein strömungsfreier Zustand in der Anordnung gegeben ist. In einem dritten Schritt wird in einem ersten Betriebs-Modus bei Vorliegen eines strömungsfreien Zustands mittels des ersten Drucksensors ein Umgebungsdruckmesswert X1_A des ersten Drucksensors erfasst und an die Steuerungs- und Regeleinheit übergeben. Im folgenden vierten Schritt wird auf Basis des Umgebungsdruckmesswertes X1_A und eines für den verwendeten Prüfgasröhrchen typischen Betriebs-Unterdruckwertes VP_Tube ein Solldruckwert mit Y_S = X1_A – VP_Tube festgelegt. Im folgenden fünften Schritt wird die Steuerungs- und Regeleinheit die Pumpe in den Förderbetrieb versetzt und auf den Solldruckwert Y_S eingeregelt, indem in fortlaufender sich wiederholender Abfolge der folgenden Schritte sechs bis zehn dann in einem sechsten Schritt mittels des ersten Drucksensors aktuelle Messwerte X1_M1 bis X1_Mn erfasst werden, an die Steuerungs- und Regeleinheit übergeben werden, in einem siebten Schritt die Steuerungs- und Regeleinheit eine Regeldifferenz aus dem Solldruckwert Y_S und dem aktuellen Drucksensormesswert des ersten Drucksensors X1_Mn ermittelt und die Pumpe so regelt, dass die verbleibende Regelabweichung möglichst gering ausfällt. In einem achten Schritt werden vom zweiten Drucksensor Messwerte X2_DM1 bis X2_DMn als Druckdifferenzen erfasst. Diese Messwerte X2_DM1 bis X2_DMn werden mit Hilfe der während der Kalibrierung ermittelten Gleichtaktverstärkung G_Bias in vom Gleichtaktanteil bereinigte Differenz-Druck-Messwerte X22_DMn = X2_DMn – G_Bias umgerechnet, die vom Gleichtaktanteil, und damit vom Druckeinfluss des Solldrucks V_S auf die Differenzdruckmessung befreit sind. Anschließend werden in einem neunten Schritt die reinen Differenz-Druck-Messwerte X22_DMn über eine Druck-zu-Durchfluss-Kennlinie des Laminarflowelementes unter Einbeziehung der aktuellen Umgebungsbedingungen Temperatur und Luftdruck in auf Standardbedingungen (1013 mBar @ 20°C) bezogene Durchflusswerte XF_n 51 umgerechnet. Im anschließenden zehnten Schritt werden die in kontinuierlicher Folge ermittelten standardisierten Durchflusswerte XF_n 51 integral zu einem Standard-Begasungs-Volumen XV 39 kumuliert.
In einem elften Schritt wird das kumulierte Standard-Begasungs-Volumen XV 39 mit einem für den verwendeten Prüfgasröhrchen typischen Sollvolumen YV 36 verglichen und der Messbetrieb damit beendet, dass die Pumpe von der Steuerungs- und Regeleinheit in den Ruhezustand versetzt wird, sobald das kumulierte Standard-Begasungs-Volumen XV 39 das Sollvolumen YV 36 überschritten hat. Neben der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Gasprobenahmevorrichtung mit einem ersten und zweiten Drucksensor kann zur Erfassung des aktuellen Umgebungs-Luftdrucks in einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zur Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtung und des Verfahrens zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung ein dritter, zusätzlich in der Anordnung vorhandener barometrischer Drucksensor vorgesehen sein, der eine Verbindung zum Umgebungs-Luftdruck hat.
Dieser Sensor kann sowohl über ein Verbindungsstück mit der Gasführung am Anschlusselement verbunden sein, als auch ohne jegliche Verbindung zur Gasführung separat, beispielsweise innerhalb des Gerätegehäuses, angeordnet sein und mit seinem Anschluss mit dem Umgebungs-Luftdruck in Verbindung stehen. Über diesen dritten Sensor wir in dieser alternativen Ausführungsform der Umgebungs-Luftdruck erfasst, so dass der erste Drucksensor zur Umgebungs-Luftdruck-Erfassung nicht verwendet wird und auch die Überwachung des strömungslosen Zustands im zweiten Schritt ausgelassen werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung ist eine Variante in der Ablaufsteuerung vorgesehen, bei der in einem zweiten Betriebs-Modus zur Vermessung mehrerer Prüfgasröhrchen innerhalb einer Messreihe die Ermittlung des aktuellen Umgebungs-Luftdrucks nur einmalig vorgenommen wird und davon die jeweils für die unterschiedlichen Typen von Prüfgasröhrchen verwendeten Solldruckwerte für die Ansteuerung der Pumpe abgeleitet werden. Für die Durchführung einer Messreihe mit mehreren Prüfröhrchen am gleichen Einsatzort auf gleicher barometrischer Höhe ist keine Berücksichtigung des aktuellen Luftdrucks vor jeder Konnektierung eines jeden neuen Prüfgasröhrchens erforderlich. Dazu ist der zweite Betriebs-Modus vom Anwender auswählen, der eine entsprechende Variation der Ablaufsteuerung beim Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung umfasst. Im Gegensatz dazu ist vom Anwender für eine Messreihe mit mehreren zeitlich nahe aufeinanderliegenden Messungen der erste Betriebsmodus auszuwählen, wenn eine erste Messung im Erdgeschoss eines mehrstöckigen Gebäudes auf Meeresniveau vorgenommen wird und innerhalb weniger Minuten eine Messung im fünfzigsten Stock (ungefähr 100 Meter) des gleichen Gebäudes die Messung fortgesetzt wird. Für einen solchen Höhenunterschied beträgt der Druck-Unterschied von einem Wert von 1013 mBar bei 20°C vom Erdgeschoss zum fünfzigsten Stockwerk bereits mehr als 10 mBar. Diese 10 mbar müssen bei der Regelung der Pumpe mit berücksichtigt werden, da anderenfalls die Gasprobenahmevorrichtung beispielsweise anstatt mit 100 mbar Unterdruck lediglich mit 90 mbar Unterdruck gegenüber der Umgebung betrieben würde, was zu einer Verfälschung der gesamten Messung sowohl bei der Ansteuerung der Pumpe auf das angestrebte Druckniveau, als auch hinsichtlich der Umrechnung in das Standard-Begasungs-Volumen führen würde. Daher ist in einem solchen Fall eine Berücksichtigung des aktuellen Luftdrucks mit Hilfe des ersten oder dritten Drucksensors in den Messablauf in jedem Fall erforderlich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung wird eine Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung vorgenommen. Die Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung findet im Betrieb optional am Ende eines Messvorgangs statt und dient der Feststellung einer Veränderung der Gaseigenschaften oder der Eigenschaften des Laminarflowelementes im Betrieb. Mit Hilfe einer solchen Überprüfung kann am Ende einer jeden Messung oder nach einer vorbestimmten und zahlenmäßig erfassten und überwachten Anzahl von Messungen der zweite Korrekturparameter k2 erneut bestimmt und mit dem im Datenspeicher hinterlegten letztmalig hinterlegten und/oder dem initialen zweiten Korrekturparameter verglichen werden. Das Verfahren der Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung am Anschluss an eine Messung im Betrieb entspricht vom Ablauf her dem Ablauf der erweiterten Kalibrierung. Dabei wird ein Verlauf des Differenzdrucksignals des zweiten Drucksensors ausgewertet, um eine nach der letztmaligen Kalibrierung entstandene Veränderung der Eigenschaften des Laminarflowelementes festzustellen. Diese Veränderung wird als ein aktueller zweiter Korrekturparameter k2 im Kalibrierdatensatz im Datenspeicher abgelegt. Eine Ursache für eine Veränderung der Eigenschaft des Laminarflowelementes ist beispielsweise dann gegeben, wenn dessen Strömungswiderstand durch eine Verunreinigung erhöht ist. Neben der Auswirkung eines erhöhten Strömungswiderstandes bei der Bestimmung des Volumenstroms aus dem Differenzdrucksignals des zweiten Drucksensors wirkt sich ein erhöhter Strömungssensor auch auf die Qualität des Differenzdrucksignals des zweiten Drucksensors selbst mit aus. So hat auch ein unwesentlich erhöhter Strömungswiderstand bereits einen Einfluss auf den Gleichtaktanteil des zweiten Drucksensors. In einem solchen Fall kann las Ergebnis der Durchführung des Verfahrens zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung es erforderlich sein, einen aktuellen Gleichtaktanteil des zweiten Drucksensors zu ermitteln und den ersten Korrekturparameter im Datenspeicher zu aktualisieren. Eine weitere Ursache für gegenüber der letztmaligen Verwendung, der Kalibrierung oder letztmaligen Überprüfung veränderte Eigenschaften des Laminarflowelementes ist dann gegeben, wenn sich die Viskosität des Trägergases geändert hat. Dies ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Gasprobenahmevorrichtung für eine Messung in Umgebungsluft eingesetzt worden ist und in der nächsten Verwendung zur Aufspürung eines Spurengases in einem technischen Trägergas eingesetzt wird. Wird beispielsweise im Trägergas Wasserstoff gemessen, weist Wasserstoff bei Standardbedingungen (25°C, 1013 mBar, Trockenes Gas) eine Viskosität von ungefähr 9·10^–6 Ns/m² auf. Der Unterschied zur Viskosität von Umgebungsluft mit ungefähr 19·10^–6 Ns/m² bei Standardbedingungen beträgt in diesem Fall einen Faktor von ungefähr 2. In einem solchen Fall ist die Gasprobenahmevorrichtung auf das Trägergas neu zu kalibrieren. In dem Fall, dass die Überprüfung am Ende einer Messung einen veränderten Strömungszustand ermittelt, ist die Messung zu verwerfen und vom Anwender beispielsweise zu prüfen, in welchem Gas die vorherige Messung durchgeführt wurde und dementsprechend die Gasprobenahmevorrichtung auf die aktuelle Messaufgabe erneut zu kalibrieren. Dadurch, dass in einem solchen Verfahren zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung eine Verunreinigung des Laminarflowelementes erkennbar ist, ist es möglich, den Anwender am Ende der Messung entsprechend über die Qualität der Messung zu informieren, oder bei Erkennung größerer Abweichungen zwischen den Eigenschaften des Laminarflowelementes im Betrieb vor Ort gegenüber einer vorherigen Kalibrierung, beispielsweise einer Erstkalibrierung vor Auslieferung der Gasprobenahmevorrichtung, die ermittelten Messwert zu verwerfen und dem Anwender dies als eine entsprechende Information im Wege einer optischen oder akustischen Anzeige anzuzeigen. Um eine solche Veränderung der Eigenschaften des Laminarflowelementes oder der Gaseigenschaften festzustellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, nach Abschaltung der Pumpe am Ende der Messung den zeitlichen Verlauf des abfallenden Differenzdrucksignals des zweiten Drucksensors zu erfassen. Dabei wird, anders als bei dem Verfahren der erweiterten Kalibrierung kein spezielles Test-Prüfgasröhrchen verwendet, sondern es wird das Prüfgasröhrchen verwendet, mit dem zuvor die Messung im Betrieb durchgeführt worden ist. Dazu wird erfindungsgemäß am Ende der Messung mit dem angeschlossenen Prüfgasröhrchen mit dem Abschalten der Pumpe in gleicher Weise eine Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung wie in der erweiterten Kalibrierung am Ende der Kalibrierung vorgenommen. Dabei wird in ähnlicher Weise der Verlauf der Abfallkurve des Differenzdrucksignals des zweiten Drucksensors ausgewertet, um eine nach der letztmaligen Kalibrierung entstandene Veränderung der Eigenschaften des Laminarflowelementes festzustellen und als einen aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 im Datenspeicher abzulegen. Zu einer Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung am Ende des Messbetriebes wird der Messbetrieb mit weiteren Schritten fortgesetzt, um den aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 zu ermitteln. Zur Erfassung der Abfallkurve wird daraufhin bei abgeschalteter Pumpe in einem zwölften Schritt bei weiterhin angeschlossenem Prüfgasröhrchen das Drucksignal des ersten Drucksensors und das Differenzdrucksignal des zweiten Drucksensors erfasst und fortlaufend aufgezeichnet. Während der Dauer der Abfallkurve wird bei Unterschreitung eines ersten Schwellwertes des Drucksignals des ersten Drucksensors dies Differenzdrucksignal mit Hilfe der Druck-zu-Durchflusskennlinie des Laminarflowelementes in einen Durchflusswert überführt und solange integral in ein Volumen kontinuierlich aufsummiert, bis ein zweiter Schwellwert des Drucksignals des ersten Drucksensors unterschritten ist. Dies ermittelte Volumen wird in einem dreizehnten Schritt zu einem typischen Volumen der Gasprobenahmevorrichtung in ein Verhältnis gesetzt und ein zweiter Korrekturfaktor k2 bestimmt. und der zweite Korrekturparameter k2 wird im Datenspeicher abgelegt. In einem optionalen vierzehnten Schritt wird der initiale zweite Korrekturparameter k22 mit dem aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 verglichen wird und bei Überschreitung einer vorbestimmten Abweichung des aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 vom initialen zweiten Korrekturparameter k22 eine Meldung an die Bedienungs- und Ausgabeeinheit ausgegeben. In den erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Verfahrens zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung kann zur Erfassung des aktuellen Umgebungs-Luftdrucks der erste Drucksensor verwendet werden, wenn, wie im dritten Schritt die Pumpe ausgeschaltet ist und der erste Drucksensor in direkter Verbindung mit dem Umgebungs-Luftdruck steht, d. h., dass die Gasprobenahmevorrichtung, offen zur Umgebung ist, wobei das Anschlusselement oder das Gasauslasselement unverschlossen sind, sodass am ersten Drucksensor der Umgebungs-Luftdruck ansteht.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Darstellung der Komponenten einer ersten Gasprobenahmevorrichtung zur colorimetrischen Gasanalyse
2 eine Darstellung der Komponenten einer alternativen Gasprobenahmevorrichtung zur colorimetrischen Gasanalyse
3a einen ersten Ablaufplan zur Kalibrierung der ersten Gasprobenahmevorrichtung
3b einen zweiten Ablaufplan zur Kalibrierung der ersten oder alternativen Gasprobenahmevorrichtung
4a einen ersten Ablaufplan zum Betrieb der ersten Gasprobenahmevorrichtung
4b einen zweiten Ablaufplan zum Betrieb der ersten oder alternativen Gasprobenahmevorrichtung
5a Einen Ablaufplan zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung am Ende der Kalibrierung
5b Einen Ablaufplan zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung am Ende der Messung
6 Eine schematische Darstellung eines Drucksignals und eines Differenzdrucksignals
In 1 ist eine erfindungsgemäße erste Gasprobenahmevorrichtung 1 in einer symbolischen Darstellung der Komponenten gezeigt.
Die erste Gasprobenahmevorrichtung 1 besteht aus einem Anschlusselement 5 zur Verbindung mit einem Prüfgasröhrchen 60, einem Filterelement 7 einem als Laminarflowelement 9 ausgebildeten Strömungswiderstand, einem Puffervolumen 11, einem ersten Drucksensor 12, einem zweiten Drucksensor 14, einer Pumpe 20 und einem Gasauslasselement 39. Das Anschlusselement 5, das Filterelement 7, das als Laminarflowelement 9, das Puffervolumen 11, die Pumpe 20 und das Gasauslasselement 39 sind über Verbindungsleitungen 18 miteinander pneumatisch verbunden. Weitere Komponenten sind eine Steuerungs- und Regeleinheit 30, ein Datenspeicher 40, eine Datenschnittstelle 19, eine Energieversorgungseinheit 17 und eine Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28. Das symbolisch gezeigte Prüfgasröhrchen 60 ist kein Bestandteil der ersten Gasprobenahmevorrichtung 1 und hier nur zur Veranschaulichung gezeigt. Die Steuerungs- und Regeleinheit 30 ist über eine erste Versorgungsleitung 47 mit der Energieversorgungseinheit 17 verbunden. Zum Austausch von Zustandsdaten ist die Energieversorgungseinheit 17 über eine sechste Datenverbindung 46 mit der Datenschnittstelle 19 verbunden. Die Steuerungs- und Regeleinheit 30 ist ausgebildet über die mit Hilfe einer dritten Datenverbindung 43 angebundene Datenschnittstelle 19, Daten, wie beispielsweise Statusmeldungen, wie beispielsweise einen Energieversorgungsstatus, Zustand der Energieversorgungseinheit 17, der Drucksensoren 12, 14, der Pumpe 20, des Filterelementes 7 oder des Laminarflowelementes 9, sowie Signale der Drucksensoren 12, 14 bereitzuhalten und unidirektional oder bidirektional über eine vierte Datenverbindung 44 mit für die Endprüfung oder Kalibrierung erforderlichen Prüfmittel 49 auszutauschen. Das Prüfmittel 49 ist mit einer fünften Datenleitung 44 an die Datenschnittstelle 19 angebunden. Die vierte Datenleitung 44 kann mit dabei das Prüfmittel 49 direkt mit der Datenschnittstelle 19 verbunden, es können aber auch zusätzliche Datenübertragungselemente, wie Drahtgebundene (LAN) oder drahtlose (WLAN) Netzwerke als Komponenten der Datenschnittstelle 19 und der vierten Datenleitung 44 in der Gasprobenahmevorrichtung 1 vorgesehen und angeordnet sein, so dass eine ferngesteuerte Zustandserfassung oder Kalibrierung möglich ist. In einer besonderen Variante ist die Datenschnittstelle 19 als drahtlose Schnittstelle, beispielsweise als telemetrische, optische oder induktive Schnittstelle ausgebildet. In einer weiter besonderen Weise ist die Datenschnittstelle 19 ausgebildet, über eine fünfte Datenverbindung 45 spezifische Daten der Prüfgasröhrchen mittels eines angeschlossenen Lesegerätes 13 einzulesen. Eine solche Leseeinheit 13 kann dabei beispielsweise ein Lesegerät für Strichkodierungen (Barcode) oder Radiofrequenz-Identifikation (RFID) sein und sowohl ein Bestandteil der Gasprobenahmevorrichtung 1 sein, als auch als ein externes Gerät über die Datenschnittstelle 19 mit der Gasprobenahmevorrichtung 1 verbunden sein. Die Prüfgasröhrchen 60 oder die Verpackung der Prüfgasröhrchen 60 enthält in einem solchen Fall entsprechende Identifizierungselemente wie Barcode oder RFID-Transponder. Die Energieversorgungseinheit 17 ist bei einer als mobiles Handgerät ausgebildeten Gasprobenahmevorrichtung 1 vorzugsweise als Batterie ausgeführt, wobei sowohl Primärbatterien als auch wieder aufladbare Batterien (Akkumulatoren) für einen mobilen Einsatz geeignet sind. Für einen temporären stationären Einsatz ist aber auch der Anschluss eines externen Netzteils 8 über eine zweite Versorgungsleitung 48 für die direkte Versorgung der Gasprobenahmevorrichtung 1 und/oder die Ladung der aufladbaren Batterien vorgesehen. Ein solches Netzteil 8 ist nach dieser 1 in geeigneter Weise in einer besonderen Variante induktiv ausgeführt. Damit sind die Datenschnittstelle 19 mit der Energieversorgungseinheit 17 und dem Netzteil 8, sowie mit einem induktiven Lade- und Halteelemente 29 in einer Energielade- und Schnittstellenvorrichtung 6 kombiniert angeordnet, so dass ein Austausch von Daten zwischen der Gasprobenahmevorrichtung 1 mit dem Prüfmittel 49 kombiniert mit einer Versorgung der Gasprobenahmevorrichtung 1 mit elektrischer Energie ermöglicht ist, ohne dass zusätzliche elektrische Verbindungen erforderlich sind. Die Steuerungs- und Regeleinheit 30 ist ausgebildet, Daten unidirektional oder bidirektional mit der Bedienungs- und Ausgabeeinheit 30 auszutauschen. Die Daten können einerseits Anwendungshinweise oder Fehlermeldungen der Steuerungs- und Regeleinheit 30 enthalten, die auf der Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28 zur Anzeigegebracht werden, andererseits werden Anwenderaktionen, wie Typisierungsdaten der Prüfgasröhrchen 60, Start, Stopp oder Abbruch einer Messung, eines Selbsttest oder einer Kalibrierung von der Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28 zur Steuerungs- und Regeleinheit 30 übergeben werden müssen. In einer einfachsten Ausführung besteht die Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28 aus einer Vielzahl einzelner Eingabe- und Anzeigeelemente, beispielsweise ausgeführt als mechanisch-elektrische Schaltelemente und Status-LED's. Die Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28 kann aber auch in Form einer numerischen oder alphanumerischen Tastatur in Kombination mit einem LED- oder LCD-Display, oder gar als ein berührungsempfindliches Eingabe- und Anzeigeelemente (Touchscreen) ausgeführt sein. Der erste Drucksensor 12 ist als Absolutdrucksensor ausgeführt, welcher mit einem ersten Messanschluss 121 am Ausgang des Filterelementes 7 und/oder am Eingang des Laminarflowelementes 9 angeschlossen ist und einen dort anstehenden Absolutdruck erfasst. Der zweite Drucksensor 14 ist als Differenzdrucksensor ausgeführt, welcher sowohl eingangsseitig mit einem zweiten Messanschluss 141, als auch ausgangsseitig mit einem dritten Messanschluss 142 am Laminarflowelement 9 angeschlossen ist. Der zweite Drucksensor 14 erfasst eine über dem Laminarflowelement 9 anstehende Druckdifferenz. Der erste und der zweite und der dritte Drucksensor 12, 14 und deren Messanschlüsse 121, 141, 142 sind über Messleitungen 24 an den Verbindungsleitungen 18 angeschlossen. Eine erste Signalleitung 121 verbindet den ersten Drucksensor 12 elektrisch mit der Steuerungs- und Regeleinheit 30. Eine zweite und dritte Signalleitung 141, 142 verbinden den zweiten Drucksensor 12 elektrisch mit der Steuerungs- und Regeleinheit 30. Der erste und der zweite Drucksensor 12, 14 sind über Messleitungen 24 mit der Steuerungs- und Regeleinheit 30 verbunden. Der Datenspeicher 40 ist über eine erste Datenverbindung 26 mit der Steuerungs- und Regeleinheit 30 verbunden. Eine zweite Datenverbindung 27 verbindet die Steuerungs- und Regeleinheit 30 mit der Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28. Die Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28 ermöglicht einem Anwender die Auswahl aus verschiedenen Betriebsmodi der Gasprobenahmevorrichtung 1. So sind ein Modus zur Kalibrierung, mindestens ein erster Modus für den Messbetrieb und ein Modus zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung 1 vorgesehen. Die Modi zum Messbetrieb der Gasprobenahmevorrichtung 1 dienen zur Anpassung an den Typ des verwendeten Prüfgasröhrchens 60, so kann beispielsweise in einem ersten Messbetriebsmodus die Pumpe 20 auf einem Druckniveau von 100 mbar unterhalb des Umgebungsdrucks betrieben werden, in einem zweiten Messbetriebsmodus kann die Pumpe 20 beispielsweise auf einem Druckniveau von 300 mbar unterhalb des Umgebungsdrucks betrieben werden. Ein weiterer Messbetriebsmodus ist für eine beschleunigte Durchführung von Messreihen vorgesehen, wobei die Schrittfolge der Betriebsschritte insoweit verkürzt wird, dass in dem Messbetriebsmodus zur Durchführung von Messreihen die Erfassung und Einbeziehung des Umgebungsluftdrucks und oder auch der Umgebungsluftfeuchtigkeit und/oder Umgebungstemperatur nur einmalig beim Start der Messreihe vorgenommen wird. Durch die Pumpe 20 wird eine Messgasmenge aus einer Messumgebung 50 über das Anschlusselement 5 durch das Prüfgasröhrchen 60 hindurch gesaugt. Das Prüfgasröhrchen 60 wird durch Dichtelemente 55 gasdicht mit dem Anschlusselement 5 verbunden. Die geförderte Gasmenge durchströmt in serieller Anordnung zunächst das Prüfgasröhrchen 60, dann das Filterelement 7, das Laminarflowelement 9, danach das Puffervolumen 11, anschließend die Pumpe 20 und gelangt durch das Gasauslasselement 39 in die Messumgebung 50 zurück.
In der 2 ist eine erfindungsgemäße zweite Gasprobenahmevorrichtung 10 in einer symbolischen Darstellung der Komponenten gezeigt.
Die zweite Gasprobenahmevorrichtung 10 besteht aus einem Anschlusselement 5 zur Verbindung mit einem Prüfgasröhrchen 60, einem Filterelement 7 einem als Laminarflowelement 9 ausgebildeten Strömungswiderstand, einem Puffervolumen 11, einem ersten Drucksensor 12, einem zweiten Drucksensor 14, einer Pumpe 20 und einem Gasauslasselement 39. Das Anschlusselement 5, das Filterelement 7, das als Laminarflowelement 9, das Puffervolumen 11, die Pumpe 20 und das Gasauslasselement 39 sind über Verbindungsleitungen 18 miteinander pneumatisch verbunden. Das symbolisch gezeigte Prüfgasröhrchen 60 ist kein Bestandteil der zweiten Gasprobenahmevorrichtung 10 und hier nur zur Veranschaulichung gezeigt. Weitere Komponenten sind eine Steuerungs- und Regeleinheit 30, ein Datenspeicher 40 und eine Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28. Als eine weitere Komponente der zweiten Gasprobenahmevorrichtung ist ein dritter Drucksensor 16 vorgesehen, welcher mit einem vierten Messanschluss mit der Messumgebung 50 in Verbindung steht. Der erste Drucksensor 12 ist als Absolutdrucksensor ausgeführt, welcher mit einem ersten Messanschluss 121 am Ausgang des Filterelementes 7 und/oder am Eingang des Laminarflowelementes 9 angeschlossen ist und einen dort anstehenden Absolutdruck erfasst. Der zweite Drucksensor 14 ist als Differenzdrucksensor ausgeführt, welcher sowohl eingangsseitig mit einem zweiten Messanschluss 141, als auch ausgangsseitig mit einem dritten Messanschluss 142 am Laminarflowelement 9 angeschlossen ist. Der zweite Drucksensor 14 erfasst eine über dem Laminarflowelement 9 anstehende Druckdifferenz. Der erste, der zweite und der dritte Drucksensor 12, 14, 16 und deren Messanschlüsse 121, 141, 142, 161 sind über Messleitungen 24 an den Verbindungsleitungen 18 angeschlossen. Eine erste Signalleitung 121 verbindet den ersten Drucksensor 12 elektrisch mit der Steuerungs- und Regeleinheit 30. Eine zweite und dritte Signalleitung 141, 142 verbinden den zweiten Drucksensor 12 elektrisch mit der Steuerungs- und Regeleinheit 30. Eine vierte Signalleitung 161 verbindet den dritten Drucksensor 16 elektrisch mit der Steuerungs- und Regeleinheit 30. Der Datenspeicher 40 ist über eine erste Datenverbindung 26 mit der Steuerungs- und Regeleinheit 30 verbunden. Eine zweite Datenverbindung 27 verbindet die Steuerungs- und Regeleinheit 30 mit der Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28. So sind ein Modus zur Kalibrierung, mindestens ein erster Modus für den Messbetrieb und ein Modus zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung 10 vorgesehen. Die Modi zum Messbetrieb der Gasprobenahmevorrichtung 10 dienen zur Anpassung an den Typ des verwendeten Prüfgasröhrchens 60, so kann beispielsweise in einem ersten Messbetriebsmodus die Pumpe 20 auf einem Druckniveau von 100 mbar unterhalb des Umgebungsdrucks betrieben werden, in einem zweiten Messbetriebsmodus kann die Pumpe 20 beispielsweise auf einem Druckniveau von 300 mbar unterhalb des Umgebungsdrucks betrieben werden. Ein weiterer Messbetriebsmodus ist für eine beschleunigte Durchführung von Messreihen vorgesehen, wobei die Schrittfolge der Betriebsschritte insoweit verkürzt wird, dass in dem Messbetriebsmodus zur Durchführung von Messreihen die Erfassung und Einbeziehung des Umgebungsluftdrucks und oder auch der Umgebungsluftfeuchtigkeit und/oder Umgebungstemperatur nur einmalig beim Start der Messreihe vorgenommen wird. Durch die Pumpe 20 wird eine Messgasmenge aus einer Messumgebung 50 über das Anschlusselement 5 durch das Prüfgasröhrchen 60 hindurch gesaugt. Das Prüfgasröhrchen 60 wird durch Dichtelemente 55 gasdicht mit dem Anschlusselement 5 verbunden. Die geförderte Gasmenge durchströmt in serieller Anordnung zunächst das Prüfgasröhrchen 60, dann das Filterelement 7, das Laminarflowelement 9, danach das Puffervolumen 11, anschließend die Pumpe 20 und gelangt durch das Gasauslasselement 39 in die Messumgebung 50 zurück.
Die 3a zeigt einen ersten Ablaufplan zur Kalibrierung der ersten Gasprobenahmevorrichtung 1 nach 1. Eine Abfolge von elf Kalibrierschritten veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung im Einzelnen. Das Verfahren hat folgenden Ablauf, dass

a) Bei gegen die Messumgebung 50 (1) offenem Anschlusselement 5 (1) in einem ersten Kalibrierschritt 201 zu Beginn eine Pumpe 20 (1) von einer Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) in den Ruhezustand versetzt wird und ein erster Druckdifferenzmesswert X2_D1 31 eines zweiten Drucksensors 14 (1) erfasst wird und an eine Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) übergeben wird,
b) in einem zweiten Kalibrierschritt 202 auf Basis des ersten Druckdifferenzmesswertes X2_D1 31 überprüft wird, ob ein strömungsfreier Zustand in der Gasprobenahmevorrichtung gegeben ist,
c) in einem dritten Kalibrierschritt 203 bei Vorliegen eines strömungsfreien Zustands mittels eines ersten Drucksensors 12 (1) ein Umgebungsdruckmesswert X13_A 32 erfasst wird und an die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) übergeben wird,
d) in einem vierten Kalibrierschritt 204 die Anordnung mindestens einseitig am Anschlusselement 5 (1) verschlossen wird, sodass ein konvektions- und strömungsfreier Zustand gegeben ist,
e) in einem fünften Kalibrierschritt 205 an einem ersten Kalibrierpunkt ein zweiter Druckdifferenzmesswert X2_D2 241 des zweiten Drucksensors 14 (1) erfasst wird und an die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) übergeben wird und der zweite Druckdifferenzmesswert X2_D2 241 auf Schwankungen überwacht wird und der konvektions- und strömungsfreie Zustand überprüft wird,
f) in einem sechsten Kalibrierschritt 206 an dem ersten Kalibrierpunkt ein erster Kalibriermesswert X1_K0 251 des ersten Drucksensors 12 (1) und ein zweiter Kalibriermesswert X2_K0 261 des zweiten Drucksensors 14 (1) erfasst wird und an die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) übergeben wird,
g) in einem siebten Kalibrierschritt 207 aus dem im dritten Kalibrierschritt ermittelten Umgebungsdruckwert X13_A 32 und einem ersten Unterdruckwert VP_K1 61 ein erster Kalibrier-Solldruckwert Y_K1 291 durch Differenzbildung mit Y_K1 = X13_A – VP_K1 ermittelt wird,
h) in einem achten Kalibrierschritt 208 ein Druckmesswert des ersten Drucksensors 12 (12) als ein Regelungsdruckwert X1_C 271 erfasst wird und die Pumpe 20 (1) von der Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) so angesteuert wird, dass der verschlossene Raum zwischen dem Anschlusselement 5 (1) und Pumpe 20 (1) soweit evakuiert wird, bis der Regelungsdruckwert X1_C 271 einen ersten Kalibriersolldruckwert Y_K1 291 erreicht, die Pumpe 20 (1) bei Erreichung des ersten Kalibriersolldruckwertes Y_K1 291 angehalten wird, ein dritter Druckdifferenzmesswert X2_D3 281 des zweiten Drucksensors 14 (1) erfasst wird, auf Schwankungen überwacht und so ein konvektions- und strömungsfreier Zustand überprüft wird,
i) in einem neunten Kalibrierschritt 209 ein dritter Kalibriermesswert X1_K1 220 des ersten Drucksensors 12 (1) und ein vierter Kalibriermesswert X2_K1 221 des zweiten Drucksensors 14 (1) erfasst wird und ein erster Gleichtaktwert X2_{Bias_1-0} 222 aus der Differenz X2_{Bias_1-0} = X2_K0 – X2_K1 aus dem ersten X2_K0 261 und vierten Kalibriermesswert X2_K1 221 gebildet wird,
j) in einem zehnten Kalibrierschritt 210 eine Gleichtaktverstärkung G_Bias 230 durch G_Bias = (X2_K0 – X2_K1)/(X1_K0 – X1_K1) gebildet wird,
k) in einem elften Kalibrierschritt 211 der Zusammenhang aus den Gleichtaktwerten X2_Bias des zweiten Drucksensors 14 (1) und Kalibriermesswerten X1_Kn des ersten Drucksensors 12 (1) und der Gleichtaktverstärkung G_Bias 230, beispielsweise in Form einer Tabelle oder in Form einer funktionalen Beziehung in einem ersten Kalibrierdatensatz k1 400 im Datenspeicher 40 abgelegt wird und die Kalibrierung am Ende 212 angelangt ist.

In optionaler Weise kann im achten Kalibrierschritt 208 die Pumpe in einem zusätzlichen dritten Kalibrierpunkt auf einen zweiten Kalibrier-Solldruckwert Y_K2 229 angesteuert und mittels eines vom ersten Drucksensor erfassten Regelungsdruckwertes X1_C 271 auf einem dem zweiten Kalibrier-Solldruckwert Y_K2 229 entsprechenden Druckniveau ausgeregelt werden und im nachfolgenden neunten Kalibrierschritt 209 ein drittes Wertepaar mit einem fünften Kalibriermesswert X1_K2 225 und einem sechsten Kalibriermesswert X2_K2 226 erfasst werden und ein zweiter Gleichtaktwert X2_{Bias_2-0} 227 aus der Differenz X2_{Bias_2-0} = X2_K0 – X2_K2 gebildet werden. Die in dieser optionalen Weise zusätzlich in den Ablauf einbezogenen und angewendeten Werte Y_K2 229, X2_K2 226, X1_K2 225, X2_{Bias_2-0} 227 sind in der 3a durch gestrichelt gezeichnete Umrisslinien und Wirkungslinien dargestellt.
Die 3b zeigt einen zweiten Ablaufplan zur Kalibrierung der zweiten Gasprobenahmevorrichtung 10 nach 2 und der ersten Gasprobenahmevorrichtung 1 nach 1.
Der zweite Ablaufplan zur Kalibrierung nach dieser 3b berücksichtigt die Tatsache, dass für die Messung des Umgebungsdrucks in der Gasprobenahmevorrichtung 10 (2) ein zusätzlicher dritter Drucksensor 16 (2) zur Verfügung steht.
Weiterhin ist dieser zweite Ablaufplan zur Kalibrierung der ersten Gasprobenahmevorrichtung 1 nach 1 vorteilhaft zur Zeitersparnis in einem Kalibrierzyklus anwendbar, da in einer Reihe von Kalibrierungen, die zeitlich eng aufeinanderfolgend durchgeführt werden, der Umgebungsdruck sich während der Zeitdauer der Kalibrierreihe nicht so wesentlich verändert, als dass der Umgebungsdruck erneut erfasst werden müsste, sondern nur bei der zeitlich ersten Kalibrierung innerhalb der Kalibrierreihe.
Das Verfahren entspricht im Wesentlichen dem Ablauf nach 3a. Der Ablauf nach dieser 3b wird durch eine Hervorhebung der Unterschiede zur 3a näher erläutert. Es sind die ersten drei Kalibrierschritte einer Abfolge von zwölf Kalibrierschritten gezeigt, die Kalibrierschritte von Kalibrierschritt vier bis Kalibrierschritt zwölf entsprechen identisch dem Ablauf zur Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtung gemäß dem ersten Ablauf nach 3a zur Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtung und sind nicht mit in der 3b dargestellt. Das Verfahren hat folgenden Ablauf, dass

a) Bei gegen die Messumgebung 50 (1) offenem Anschlusselement 5 (1) in einem ersten Kalibrierschritt 201 zu Beginn des Messbetriebes eine Pumpe 20 (2) von einer Steuerungs- und Regeleinheit 30 (2) in den Ruhezustand versetzt wird,
b) der zweite Kalibrierschritt mit der Überprüfung eines strömungsfreien Zustand im Ablauf ausgelassen wird,
c) in einem dritten Kalibrierschritt 203 mittels eines dritten Drucksensors 16 (2) ein Umgebungsdruckmesswert X13_A 32 erfasst wird und an die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (2) übergeben wird,

Die folgenden Kalibrierschritte vier 204 bis zwölf 212 entsprechen dem Ablauf zur Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtung gemäß dem ersten Ablauf nach 3a zur Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtung.
Die 4a zeigt einen Ablaufplan zum Betrieb der ersten Gasprobenahmevorrichtung 1 nach 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Gasprobenahmevorrichtung wird dabei durch eine Abfolge von elf Betriebsschritten mit einer kontinuierlichen Wiederholung der Bedienschritte sechs bis elf beschrieben.
Das Verfahren hat folgenden Ablauf, dass

a) bei gegen die Messumgebung 50 (1) offenem Anschlusselement 5 (1) in einem ersten Bedienschritt 101 zu Beginn des Messbetriebes eine Pumpe 20 (1) von einer Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) in den Ruhezustand versetzt wird und ein erster Druckdifferenzmesswert X2_D1 31 eines zweiten Drucksensors 14 (1) erfasst wird und an eine Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) übergeben wird,
b) in einem zweiten Bedienschritt 102 auf Basis des ersten Druckdifferenzmesswertes X2_D1 31 überprüft wird, ob ein strömungsfreier Zustand in der Gasprobenahmevorrichtung gegeben ist,
c) in einem dritten Bedienschritt 103 bei Vorliegen eines strömungsfreien Zustands mittels eines ersten Drucksensors 12 (1) ein Umgebungsdruckmesswert X13_A 32 erfasst wird und an die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) übergeben wird,
d) in einem vierten Bedienschritt 104 auf Basis des Umgebungsdruckmesswertes X13_A 32 und eines für das zu verwendende Prüfgasröhrchen 60 (1) typischen Unterdrucksollwertes VP_Tube 33 ein erster Betriebs-Solldruckwert Y_B 34 aus der Differenz Y_B = X1_A – VP_Tube aus dem Umgebungsdruckmesswert X13_A 32 und einem ersten Unterdrucksollwert VP_Tube 33 ermittelt und festgelegt wird,
e) in einem fünften Bedienschritt 105 die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) die Pumpe 20 (1) in einen Förderbetrieb versetzt,
f) in einem sechsten Bedienschritt 106 mittels des ersten Drucksensors 12 (1) ein dritter Druckmesswert X1_M 35 erfasst wird und an die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) übergeben wird,
g) in einem siebten Bedienschritt 107 die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) die Pumpe 20 (1) auf Basis des Betriebs-Solldruckwert Y_B 34 und des dritten Druckmesswertes X1_M 35 so regelt, dass der Betriebs-Solldruckwert Y_B und der dritte Druckmesswert X1_M 35 in Übereinstimmung sind,
h) in einem achten Bedienschritt 108 von dem zweiten Drucksensor 14 (1) Druckdifferenzmesswerte X2_MDn 37 erfasst werden, mit Hilfe des in der Kalibrierung ermittelten und im Datenspeicher 40 als erstem Korrekturparameter 400 hinterlegten Gleichtaktanteils G_Bias 230 der Druckeinfluss auf die Differenzdruckmessung über die Beziehung X22_DMn = X2_DMn – G_Bias 230 kompensiert und in vom Gleichtaktanteil G_Bias 230 bereinigte Differenz-Druck-Messwerte X22_DMn 38 umgerechnet werden,
i) in einem neunten Bedienschritt 109 die kompensierten Differenzdruck-Messwerte X22_DMn 38 über eine im Datenspeicher 40 hinterlegten systematischen und typischen Druck-zu-Durchfluss-Kennlinie Z_LFE 41 des Laminarflowelementes 9 (1) unter Berücksichtigung des zweiten Korrekturparameters 500 und unter Einbeziehung eines aktuellen Temperaturmesswertes T_A 42, des Umgebungs-Luftdruckwertes X13_A 32 in auf Standardbedingungen basierende Durchflusswerte XF_n 51 umgerechnet werden,
j) in einem zehnten Bedienschritt 110 die in kontinuierlicher Folge ermittelten Durchflusswerte XF_n 51 zu einen Begasungsvolumen XV 52 integriert werden und das Begasungsvolumen XF_n 51 mit einem Sollvolumen YV 36 verglichen wird,
k) in einem elften Bedienschritt 111 in kontinuierlicher Folge in den sechsten Bedienschritt 106 zurückgesprungen wird, bis der Messbetrieb bei Überschreitung des Sollvolumens YV 36 damit beendet wird, dass die Pumpe 20 (1) von der Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) in den Ruhezustand 112 versetzt wird und in der Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) die colorimetrische Auswertung des Prüfgasröhrchens 60 (1) vorgenommen wird.

Die 4b zeigt einen zweiten Ablaufplan zum Betrieb der zweiten Gasprobenahmevorrichtung 10 nach 2 und der ersten Gasprobenahmevorrichtung 1 nach 1.
Das Verfahren entspricht im Wesentlichen dem Ablauf Ablaufplan zum Betrieb der zweiten Gasprobenahmevorrichtung 10 nach 4a. Der zweite Ablaufplan zum Betrieb nach dieser 4b berücksichtigt die Tatsache, dass für die Messung des Umgebungsdrucks in der Gasprobenahmevorrichtung 10 (2) ein zusätzlicher dritter Drucksensor 16 (2) zur Verfügung steht. Weiterhin ist dieser zweite Ablaufplan zum Betrieb vorteilhaft zur Zeitersparnis in einem Messzyklus, da in einer Reihe von zeitlich eng nacheinander folgenden Messungen, der Umgebungsdruck sich während der Zeitdauer der Messreihe nicht so wesentlich verändert, als dass er erneut erfasst werden müsste, sondern nur bei der zeitlich ersten Messung innerhalb der Messreihe. Der Ablauf nach dieser 4b wird durch eine Hervorhebung der Unterschiede zur 4a näher erläutert. Es sind die ersten drei Bedienschritte einer Abfolge von elf Bedienschritten gezeigt, die Bedienschritte vier bis elf entsprechen identisch dem Ablauf zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung gemäß dem ersten Ablauf nach 4a zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung und sind nicht mit in der 4b dargestellt.
Das Verfahren hat folgenden Ablauf, dass

a) Bei gegen Messumgebung 50 (1) offenem Anschlusselement 5 (1) zu Beginn des Messbetriebes in einem ersten Bedienschritt 101 die Pumpe 20 (1) von der Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) in den Ruhezustand versetzt wird,
b) der zweite Bedienschritt mit der Überprüfung eines strömungsfreien Zustand im Ablauf ausgelassen wird,
c) in einem dritten Betriebsschritt 103 mittels eines dritten Drucksensors 16 (2) ein Umgebungsdruckmesswert X13_A 32 erfasst wird und an die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (2) übergeben wird,

Die folgenden Betriebsschritte vier 104 bis elf 112 entsprechen dem Ablauf zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung gemäß dem ersten Ablauf nach 4a zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung.
Die 5a zeigt einen Ablaufplan zur Überprüfung und erweiterten Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtungen 1, 10 (1, 2) am Ende 212 einer Kalibrierung gemäß einem der Verfahren zur Kalibrierung der Gasprobenahmevorrichtung nach 3a oder 3b im Anschluss an den elften Kalibrierschritt. Eine Abfolge von fünf weiteren Kalibrierschritten und einem optionalen zusätzlichen Kalibrierschritt veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung im Einzelnen. Der in optionaler Weise zusätzliche Kalibrierschritt 217 mit der in den Ablauf einbezogenen vorbestimmten Abweichung Q 800 und einer Meldung N 1000 sind in der 5a durch gestrichelt gezeichnete Umrisslinien und Wirkungslinien dargestellt. Das Verfahren zur Überprüfung und Kalibrierung hat folgenden Ablauf, dass

l) in einem zwölften Kalibrierschritt 212 am Ende einer Kalibrierung ein Test-Prüfgasröhrchen am Anschlusselement 5 (1, 2) angeschlossen wird,
m) in einem dreizehnten Kalibrierschritt 213 die Steuerungs- und Regeleinheit 30 (1) die Pumpe 20 (1) erneut einschaltet und unter fortwährender Erfassung eines Regelungsdruckwertes X1_C 271 des ersten Drucksensors 12 (1) auf den Kalibrier-Solldruckwert YK1 291 stabil ausregelt, dass der verschlossene Raum zwischen dem Anschlusselement 5 (1) und Pumpe 20 (1) evakuiert wird und die Pumpe 20 (1) bei Erreichung des ersten Kalibriersolldruckwertes Y_K1 291 angehalten wird,
n) in einem vierzehnten Kalibrierschritt 214 die Pumpe 20 (1) am Kalibrierpunkt abgeschaltet wird,
o) in einem fünfzehnten Kalibrierschritt 215 ein Druckmesswert X1_M 272 des ersten Drucksensors 12 (1) zeitlich fortlaufend erfasst wird und ein Differenzdrucksignal X2_DMn 233 des zweiten Drucksensors 14 (1) beginnend mit einer bei Unterschreitung eines ersten Druckschwellwertes X1_TH1 231 durch den Druckmesswert X1_M 272 zeitlich fortlaufend bis zur Unterschreitung eines zweiten Druckschwellwertes X1_TH2 232 durch den Druckmesswert X1_M 272 erfasst wird und daraus unter Berücksichtigung der im Datenspeicher 40 hinterlegten systematischen und typischen Druck-zu-Durchfluss-Kennlinie Z_LFE 41 des Laminarflowelementes 9 (1) und den im Datenspeicher 40 hinterlegten ersten Korrekturparametern k1, k11 400, 600 und den im Datenspeicher 40 zweiten Korrekturparametern k2, k22 500, 700 und unter Einbeziehung eines aktuellen Temperaturmesswertes T_A 42, des Umgebungs-Luftdruckwertes X13_A 32 in auf Standardbedingungen basierende Durchflusswerte XF_n 51 umgerechnet werden und zu einem aktuellen Volumen V_sum 150 integriert werden,
p) in einem sechzehnten Kalibrierschritt 216 aus einem bekannten Volumen V_M 15 der Messanordnung, den Druckschwellwerten X1_TH1 231 und X1_TH2 232, sowie den Umgebungs- und Standardbedingungen X13_A 32, P_Std, T_A und T_Std ein auf Standardbedingungen umgerechnetes Referenzvolumen V_ref 228 der Form V_ref = V_M·(X2_TH2 232 – X2_TH1 231)·T_Std/(T_A·P_Std) gebildet wird, das aktuelle Volumen V_sum 150 mit dem Referenzvolumen V_ref 228 in ein Verhältnis gesetzt wird und dies Volumenverhältnis V_Ratio 234 als ein aktueller zweiter Korrekturparameter k2 500 im Datenspeicher abgelegt wird,
q) in einem optionalen siebzehnten Kalibrierschritt 217 der initiale zweite Korrekturparameter k22 700 mit dem aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 500 verglichen wird und bei Überschreitung einer vorbestimmten Abweichung Q 800 des aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 vom initialen zweiten Korrekturparameter k22 700 eine Meldung N 1000 an die Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28 (1, 2) ausgegeben wird,
r) und das Verfahren zur Überprüfung und Kalibrierung am Ende 218 angelangt ist.

Die 5b zeigt einen Ablaufplan zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtungen 1, 10 (1, 2) am Ende 112 (4a, 4b) einer Messung im Einsatz gemäß einem der Verfahren zum Betrieb der Gasprobenahmevorrichtung nach 4a oder 4b im Anschluss an den elften Betriebsschritt. Eine Abfolge von zwei weiteren Betriebsschritten mit einem zusätzlichen optionalen Betriebsschritt veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung im Anschluss an den Messbetrieb im Einzelnen. Der in optionaler Weise zusätzliche Betriebschritt 114 mit der in den Ablauf einbezogenen vorbestimmten Abweichung Q 800 und einer Meldung N 1000 sind in der 5b durch gestrichelt gezeichnete Umrisslinien und Wirkungslinien dargestellt. Das Verfahren zur Überprüfung hat folgenden Ablauf, dass

l) in einem zwölften Betriebsschritt 112 direkt am Ende bei abgeschalteter Pumpe 20 (1) ein Drucksignal X1_M 272 des ersten Drucksensors 12 (1) zeitlich fortlaufend erfasst wird und ein Differenzdrucksignal X2_DMn 233 des zweiten Drucksensors 14 (1) beginnend mit einer bei Unterschreitung eines ersten Druckschwellwertes X1_TH1 231 durch den Druckmesswert X1_M 272 zeitlich fortlaufend bis zur Unterschreitung eines zweiten Druckschwellwertes X1_TH2 232 durch den Druckmesswert X1_M 272 erfasst wird und daraus unter Berücksichtigung der im Datenspeicher 40 hinterlegten systematischen und typischen Druck-zu-Durchfluss-Kennlinie Z_LFE 41 des Laminarflowelementes 9 (1) und den im Datenspeicher 40 hinterlegten ersten Korrekturparametern k1, k11 400, 600 und den im Datenspeicher 40 zweiten Korrekturparametern k2, k22 500, 700 und unter Einbeziehung eines aktuellen Temperaturmesswertes T_A 42, des Umgebungs-Luftdruckwertes X13_A 32 in auf Standardbedingungen basierende Durchflusswerte XF_n 51 umgerechnet werden und zu einem aktuellen, auf Standardbedingungen umgerechneten aktuellen Volumen V_sum 150 integriert werden,
m) in einem dreizehnten Betriebsschritt aus einem bekannten Volumen V_M 15 der Messanordnung, der Druckschwellwerte X1_TH1 231 und X1_TH2 232, sowie den Umgebungs- und Standardbedingungen X13_A 32, P_Std, T_A und T_Std ein auf Standardbedingungen umgerechnetes Referenzvolumen V_ref 228 der Form V_ref = V_M·(X1_TH2 232 – X1_TH1 231)·T_Std/(T_A·P_Std) gebildet wird, das aktuelle Volumen V_sum 150 mit dem Referenzvolumen V_ref 228 in ein Verhältnis gesetzt wird und das Verhältnis als ein aktueller zweiter Korrekturparameter k2 500 im Datenspeicher abgelegt wird,
n) in einem optionalen vierzehnten Betriebsschritt 114 der initiale zweite Korrekturparameter k22 700 mit dem aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 500 verglichen wird und bei Überschreitung einer vorbestimmten Abweichung 800 des aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 vom initialen zweiten Korrekturparameter k22 700 eine Meldung N 1000 an die Bedienungs- und Ausgabeeinheit 28 (1, 2) ausgegeben wird,
o) und das Verfahren zur Überprüfung am Ende 115 angelangt ist.

Die 6 zeigt einen ersten schematischen Zeitverlauf eines Signals des ersten Drucksensors der Gasprobenahmevorrichtung 1, 10 nach 1 oder 2 als ein oberes Diagramm 350 mit einer ersten Abszisse 303 und einer ersten Ordinate 321 und einen zweiten schematischen Zeitverlauf eines Signals des zweiten Drucksensors der Gasprobenahmevorrichtung 1, 10 nach 1 oder 2 als ein unteres Diagramm 360 mit einer zweiten Abszisse 309 und einer zweiten Ordinate 304. Ein Drucksignalverlauf P_M 320 des ersten Drucksensors 12 (1, 2) und ein Differenzdrucksignalverlauf DP_M 300 beginnen auf den Abszissen 303, 309 mit der Lage der Ordinaten 321, 304 an beliebiger Stelle im Messbetrieb. Auf den Abszissen 303, 309 ist die Zeit dimensionslos aufgetragen, auf der ersten Ordinate 321 ist der Drucksignalverlauf P_M 320 bei einem beliebigen Betriebspunkt der Gasprobenahmevorrichtungen 1, 10 (1, 2) normiert auf eine erste Signalamplitude 322 von 100% aufgetragen. Der Differenzdrucksignalverlauf DP_M 300 des zweiten Drucksensors 14 (1, 2) ist auf der zweiten Ordinate 304 mit einer beliebigen beispielhaften Signalamplitude als eine zweite Signalamplitude 301 dimensionslos aufgetragen. Die Diagramme 350, 360 und die Abszissen 303, 309 sind zueinander in zeitlich synchroner Lage abgebildet. Ein Abschaltzeitpunkt t_off 302, an dem die Pumpe 20 (1, 2) im Verfahren zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung nach einer der 5a oder 5b abgeschaltet wird, ist auf den Ordinaten 303, 309 markiert. Ein erster Druckschwellwert X1_TH1 231 und ein zweiter Druckschwellwert X1_TH2 232 sind im Zeitverlauf des Drucksignalverlaufs P_M 320 eingezeichnet. Der erste Druckschwellwert X1_TH1 231 ist bei einem Wert von 90% der ersten Signalamplitude 322 des ersten Drucksensors 12 (1, 2) angesetzt, der zweite Druckschwellwert X1_TH2 232 ist bei einem Wert von 10% der ersten Signalamplitude 321 des ersten Drucksensors 12 (1, 2) angesetzt. Die zu den Druckschwellwerten X1_TH1 231 und X1_TH2 232 korrespondierenden Zeitpunkte t2₉₀ 305 und t3₁₀ 306 sind auf der ersten Abszisse 303 markiert und als Bezugslinien in das untere Diagramm 360 auf die zweite Abszisse 309 übertragen. Die Differenz zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ergibt eine Zeitdifferenz t_Diff 307. Die durch die Lage der Punkte X1_TH1 231, X1_TH2 232 und t2₉₀ 305, t3₁₀ 306 integral aufgespannte, Im unteren Diagramm 360 schraffiert dargestellte Fläche 308 ergibt grafisch aus dem Differenzdrucksignalverlauf DP_M 300 mit Umrechnung über die Druck-zu-Durchfluss-Kennlinie Z_LFE des Laminarflowelementes 41 (1, 2, 4a, 5a, 5b) und die Einbeziehung der aktuellen Korrekturparameter k1, k2 in einen Durchflusswert das während der Zeitdifferenz t_Diff 307 durch die Gasprobenahmevorrichtung 1, 10 (1, 2). durchströmte Volumen aktuelle V_Sum 150 (5a, 5b). Der in dem oberen Diagramm 350 gezeigte Drucksignalverlauf P_M 320 zeigt schematisch eine Abfallkurve des Drucksignals X1_M 272 (5a, 5b), welche im Verfahren zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung nach einer der 5a oder 5b erfasst und zur Bestimmung der Druckschwellwerte X1_TH1, 231, X1_TH2, 232 ausgewertet und verwendet wird. Der in dem unteren Diagramm 360 gezeigte Differenzdrucksignalverlauf DP_M 300 gibt schematisch eine Abfallkurve des Differenzdrucksignals X2_DMn 233 (5a, 5b) wieder, wie sie im Verfahren zur Überprüfung der Gasprobenahmevorrichtung nach einer der 5a oder 5b erfasst, ausgewertet und zur Ermittlung der zweiten Korrekturparameter k2, 500; k22, 700 (5a, 5b) verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: erste Gasprobenahmevorrichtung
5: Anschlusselement
6: Energielade- und Schnittstellenvorrichtung
7: Filterelement
8: Netzteil
9: Laminarflowelement (Strömungswiderstand)
10: zweite Gasprobenahmevorrichtung
11: Puffervolumen
12: erster Drucksensor
13: Lesegerät
14: zweiter Drucksensor
15: Volumen der Gasprobenahmevorrichtung V_M
16: dritter Drucksensor
17: Energieversorgungseinheit
18: Verbindungsleitungen
19: Datenschnittstelle
20: Pumpe
21: erste Signalleitung
22: zweite Signalleitung
23: dritte Signalleitung
24: Messleitungen
26: erste Datenverbindung
27: zweite Datenverbindung
28: Bedienungs- und Ausgabeeinheit
29: induktives Lade- und Halteelement
30: Steuerungs- und Regeleinheit
31: erster Druckdifferenzmesswert X2_D1
32: Umgebungsdruckmesswerte X13_A
33: Unterdrucksollwert VP_Tube
34: erster Betriebs-Solldruckwert Y_B
35: Druckmesswert X1_M
36: erstes Sollvolumen YV
37: Druckdifferenzmesswerte X2_DMn
38: Vom Gleichtaktanteil bereinigte Differenzdruck-Messwerte X22_DMn
39: Gasauslasselement
40: Datenspeicher
41: Druck-zu-Durchfluss-Kennlinie Z_LFE des Laminarflowelementes
42: Umgebungstemperatur T_A
43: dritte Datenverbindung
44: vierte Datenverbindung
45: fünfte Datenverbindung
46: sechste Datenverbindung
47: erste Versorgungsleitung
48: zweite Versorgungsleitung
49: Prüfmittel
50: Messumgebung
51: Durchflusswerte XF_n
52: Begasungs-Volumen X_v
55: Dichtelemente
60: Prüfgasröhrchen
61: erster Unterdruckwert VP_K1
101–114: Bedienschrittabfolge zum Mess-Betrieb
121: erster Messanschluss
141: zweiter Messanschluss
142: dritter Messanschluss
150: aktuelles Volumen V_sum
161: vierter Messanschluss
201–217: Kalibrierschrittabfolge zum Kalibrier-Betrieb
220: dritter Kalibriermesswert X1_K1
221: vierter Kalibriermesswert X2_K1
222: erster Gleichtaktwert X2_Bias1-0
223: zweiter Kalibrier-Solldruckwert Y_K2
225: fünfter Kalibriermesswert X1_K2
226: sechster Kalibriermesswert X2_K2
227: zweiter Gleichtaktwert X2_Bias2-0
228: Referenzvolumen V_ref 228
229: zweiter Kalibrier-Solldruckwert Y_K2
230: Gleichtaktverstärkung G_Bias
231: erster Druckschwellwert X1_TH1
232: zweiter Druckschwellwert X1_TH2
233: Differenz-Druck-Messwerte X2_DMn
241: zweiter Druckdifferenzmesswert X2_D2
251: erster Kalibriermesswert X1_K0
261: zweiter Kalibriermesswert X2_K0
271: Regelungsdruckwert X1_C
272: Druckmesswert X1_M
281: dritter Druckdifferenzmesswert X2_D3
291: erster Kalibrier-Solldruckwert Y_K1
300: Differenzdruckmesswerte DP_M
301: zweite Signalamplitude
302: Abschaltzeitpunkt t_off
303: Abszisse
304: zweite Ordinate
305: Zeitpunkt t2₉₀
306: Zeitpunkt t3₁₀
307: Zeitdifferenz t_Diff
308: Fläche
309: zweite Abszisse
320: Druckmesswerte P_M
321: erste Ordinate
322: erste Signalamplitude
350: oberes Diagramm
360: unteres Diagramm
400: erster Korrekturparameter k1
500: zweiter Korrekturparameter k2
600: initialer erster Korrekturparameter k11
700: initialer zweiter Korrekturparameter k22
800: Abweichung Q
1000: Meldung N

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5295790 A [0007, 0008, 0016]
DE 10131688 B4 [0011]
DE 2823315 [0012]
DE 19825103 A1 [0013, 0015]
EP 0392486 A1 [0034]
DE 3937641 A1 [0034]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Gasprobenahmevorrichtung zur colorimetrischen Gasanalyse mit einer Steuerungs- und Regeleinheit (30), einer Energieversorgungseinheit (17), einem Datenspeicher (40), einem Laminarflowelement (9), mindestens einem Drucksensor (12), einem Differenzdrucksensor (14), einer Pumpe (20), wobei in einem Messvorgang eine Volumenmessung und eine Durchflussmessung mittels des Laminarflowelementes (9) und des Differenzdrucksensors (14) durchgeführt wird und wobei bei der Umrechnung des Differenzdruckwerts (37) in ein Volumen (52) als Korrekturparameter mindestens ein initialer Korrekturparameter k11, k22 (600, 700) und/oder mindestens ein aktueller Korrekturparameter k1, k2 (400, 500) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens einen Korrekturparameter als erste Korrekturparameter k1 (400), k11 (600) in einem Datenspeicher (40) abgelegt sind und wobei die ersten Korrekturparameter k1 (400), k11 (600) eine Gleichtaktverstärkung (230) des Differenzdrucksensors (14) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Ermittlung der Gleichtaktverstärkung (230) bei verschlossener Luftzufuhr am Anschlusselement (5) Messwerte des mindestens einen Drucksensors (12) und Messwerte des Differenzdrucksensors (14) an mindestens zwei Kalibrierpunkten erfasst werden, wobei die mindestens zwei Kalibrierpunkte unterschiedliche Druckniveaus aufweisen, und aus den Messwerten des mindestens einen Drucksensors (12) und des Differenzdrucksensors (14) eine Gleichtaktverstärkung (230) des Differenzdrucksensors (14) ermittelt wird und als erste Korrekturparameter k1 (400), K11 (600) in den Datenspeicher (40) abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens einen Korrekturparameter als zweite Korrekturparameter k2 (500) k22, (700) in einem Datenspeicher (40) abgelegt sind, wobei die zweiten Korrekturparameter k2 (500), k22 (700) Eigenschaften des Laminarflowelementes (9) und/oder Eigenschaften eines Gases umfassen
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die in den zweiten Korrekturparametern k2 (500), k22 (700) enthaltenen und in einem Datenspeicher (40) abgelegten Eigenschaften des Laminarflowelementes (9) einen Strömungswiderstand des Laminarflowelementes (9) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die in den zweiten Korrekturparametern k2 (500), k22 (700) enthaltenen und in einem Datenspeicher (40) abgelegten Eigenschaften des Gases die Viskosität des Gases umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei nach Abschaltung der Pumpe (20) die Messwerte X2_DMn (233) des Differenzdrucksensors (14) zeitlich fortlaufend von einem ersten Druckschwellwert X1_TH1 (231) bis zu einem zweiten Druckschwellwert X1_TH2 (232) erfasst werden, unter Berücksichtigung der Druck-zu-Durchfluss-Kennlinie Z_LFE (41) des Laminarflowelementes (9) integral ein aktuelles Volumen V_sum (150) bestimmt wird, aus dem Volumen V_M (15) der Gasprobenahmevorrichtung (1, 10), den aktuellen Umgebungs- und Standardbedingungen für Druck und Temperatur ein Referenzvolumen V_Ref (228) errechnet wird, das errechnete Referenzvolumen V_Ref (228) zum integral bestimmten aktuellen Volumen V_sum (150) in ein Volumenverhältnis V_Ratio (234) gesetzt wird und dies Volumenverhältnis V_Ratio (234) als zweiter Korrekturparameter k2 (500), k22 (700) im Datenspeicher (40) abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, wobei im Rahmen einer Endüberprüfung der Gasprobenahmevorrichtung (1, 10) der erste Korrekturparameter k1 (400) als ein initialer erster Korrekturparameter k11 (600) im Datenspeicher (40) abgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 4 bis Anspruch 7, wobei im Rahmen einer Endüberprüfung der Gasprobenahmevorrichtung (1, 10) der zweite Korrekturparameter k2 (500) als ein initialer zweiter Korrekturparameter k22 (700) im Datenspeicher (40) abgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 4 bis Anspruch 7, wobei der initiale zweite Korrekturparameter k22 (700) mit einem aktuellen zweiten Korrekturparameter k2 (500) verglichen wird und bei einer Abweichung (800) eine Meldung N (1000) an eine Bedienungs- und Ausgabeeinheit (28) ausgegeben wird.