DE1812310A1 - Akustischer Gasanalysator - Google Patents

Description

• Akustischer Gasanalysator Die Schallaufzeit wie auch die Schallabsorption ist in einem gasförmigen Iledium von dessen physikalischen und chemischen Eigenschaften abhängig so daß aus Messungen der Schallaufzeit und/oder der Schallabsorption Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Mediums gezogen werden können, insbesondere kann dadurch in bekannter Weise die Zusammensetzung von Gemischen und deren Änderungen bestimmt werden. Der Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit c, Schalllaufzeit t und Konzentration eines z.B. binären Gasgemisches ist dabei durch die bekannte Beziehung gegeben: wobei s die Länge der Schallstrecke, R die allgemeine Gaskonstante, T die absolute Temperatur, Cp und Cv die Molwärmen, M das lXlolekulargewicht und X die Molkonzentration ist.
• Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines mit einer kleinen lleßstrecke arbeitenden einfachen Gerätes zur selbsttätigen laufenden Anzeige und Registrierung der Schallaufzeit von Schallimpulsen eines in einer kießkammer eingeschlossenen oder diese durchströmenden Mediums, deren Zusammensetzung bestimmt werden soll.
• Derartige Analysatoren dienen zur laufenden und selbsttätigen Kontrolle und Oberwachung der Konzentration von gasförmigen Gemischen, insbesondere bei chemischen Prozessen, Rauchgasanalysen, biologischen und medizinischen Stoffwechselvorgängen, sowie zu deren Steuerung und Regelung. Dabei sind die Genauigkeit, das Auflösungsvermögen, eine zeitverzögerungsfreie Anzeige und die Weiterverarbeitung des Meßwertes von besonderer Bedeutung.
• Meßeinrichtungen, bei denen die Lage eines Maximums oder Minimums durch andern der Schall frequenz oder der Länge der Meßstrecke zu bestimmen ist, sind für diesen Zweck nicht geeignet, wie dies z.B. bei Interferometeranordnungen oder bei Verwendung von olraumresonatoren vorgenommen werden muß, weil die Bedingung einer laufenden und verzögerungsfreien Anzeige sowie einer Weiterverarbeitung der Meßgrößen nur mit großem AuS^zand oder gar nicht erfüllt werden kann.
• Verfahren, bei denen die Phasendifferenz akustischer Wellen zwischen einer Schallquelle und einem Schallempfänger bestimmt wird, müssen Schallweglänge und Schallfrequenz in einem bestimmten Verhältnis stehen, wenn eine Mehrdeutigkeit der Anzeige vermieden werden soll. Die Forderung nach großem Meßbereich und großem Auflösungsvermögen kann daher nicht gleichzeitig erfüllt werden.
• Ferner müssen bei diesem Verfahren umfangreiche Vorkehrungen gegen stehende Wellen getroffen werden, um Meßfehler zu vermeiden. Im weiteren erlauben diese Verfahren keine einfache Absolutmessung ohne zusätzliche Ililfsmessungen.
• Gegenstand der Erfindung ist ein akustischer Gas-Analysator, bei dem ein elektroakustischer Sender in einer das Gemisch enthaltenden Analysen-Gaskammer einem ebensolchen Empfänger gegenübersteht, wobei gemäß der Erfindung, der Sender Schallimpulse aus sendet, deren von der Zusammensetzung des Gemisclies abhängige Laufzeit als Meßgröße crmittclt wird.
• Hierbei kann die Laufzeitnessung zweckmäßig in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit llilfe einer bistabilen Kippschaltung derart gestcucrt werden, daß bei Aussendung des Schallimpulses der Ausstieg eines Impulssignals erfolgt, dessen Abfall und damit dessen Impuls dauer durch das 1.intreffern des Schallimpulses am Empfänger bestimmt wird.
• Die von Sender, Empfänger und die durch Temperaturschwantkungen des Mediums hervorgerufenen Laufzeitänderungen werden dabei durch ein Laufzeitglied kompensiert. Bei einer abgeänderten Ausführung wird erfindungsgemäß durch cinc Impulsumlaufsteuerung eine laufzcitabhängige Impulsfolgcfrequcnz erzeugt. Zur Unterdrückung von eingedrungenen Stör-oder Rauschimpulsen, die stets eine sprunghafte Erhöhung der Umlauffrequenz verursachen, können zwei auf plötzliche Änderungen der Impulsfolgefrequenz unterschiedlich reagierende Bauelemente vorgesehen sein, welche bei plötzlichen Änderungen eine Differenzgröße bilden, die den Impulsumlauf abbricht und einen neuen Impulsumlauf auslöst. Dicsc beiden Bauelcmente können dabei zwei Verstärker mit unterschiedlicher Einschwingzeit scin. In Weiterbildung der Erfindung kann auch mit derselben leßkammer zusätzlich und gleichzeitig die Schallabsorption als Meßgröße ermittelt werden, so daß die Konzentration des Gemisches noch durch eine weitere leßgröße, die von der Schallaufzeit unabhängig ist, bestimmt werden kann. jan erhält durch diese zusätzliche Kontrollmöglichkeit eine höhere Zuverlässigkeit der @lessung oder man kann komplizierte Analysen vornehmen, insbesondere die von ternären Gemischen.
• Die Vorteile der Erfindung beruhen auf der Verwendung von fortschreitenden Impuls schallwellen, bei denen die Notwendigkeit entfällt, Vorkehrungen gegen stehende Wellen oder Echos vorzunehmen, die zur Vermeidung von Meßfehlern bei allen anderen SIeßverfahren, welche fortschreitende Schallwellen benutzen, vorgenommen werden muß, wie dies z.B.
• durch Auskleidung der Wandungen mit schallschluckenden Stoffen geschieht, was aber leicht durch Gasaufnahme der verwendeten itaterialien das Meßergebnis verzögern und die Meßunsicherheit vergrößern kann.
• Die impulsförmige Beschallung ermöglicht ferner die Verwendung einiger weniger Grundschaltungen und deren Kombinationen (Bausteintechnik, Verwendung integrierter Schaltkreise) zuni Aufbau des elektronischen Meßgerätes und erlaubt eine gute Weiterverarbeitung für Registrier- und Regelzwecke der Meßgröße ohne Zeitverzögerung und Verlust an Genauigkeit und bedingt eine Erniedrigung der Störungsempfindlichkeit auf Grund der digitalen Arbeitsweise des Meßverfaiirens.
• Die Verwendung von Schallimpulsen zur itessung der Schalllaufzeit hat auch den großen Vorteil, daß die Wahl der Sendeschallfrequenz und der Schallweglänge keine Mehrdeutigkeit des Meßrgebnisses hervorrufen kann und keinen gleichzeitigen Einfluß auf die Höhe des Auflösungsvermögens und die Größe des Meßbereichs bewirkt, wie dies bei der Messung der Phasendifferenz von Sender und Empfänger spannung der Fall ist. Dadurch ist es möglich, einen grossen Meßbereich und ein hohes Auflösungsvermögen mit demselben Gerät ohne Gefahr von Mehrdeutigkeiten des Meßergebnisses und bohne großen Aufwand zu realisieren.
• Die Erzeugung von Schallimpulsen und der Empfang dieser erfolgt in bekannter Weise mit üblichen elektroakustischen Wandlern, die auf magnetischer, elektrodynamischer, elektrostatischer oder piezoelektrischer Grundlage beruhen, durch eine geeignete Anordnung der Strahlerflächen.
• Da bis zu 10 000 Schallimpulsen pro Sekunde ausgesandt und empfangen werden können, und somit auch 10 000 Messungen pro Sekunde ausgeführt werden können, findet eine quasi-kontinuierliche IIessung und Anzeige statt, insbesondere bei integrierend wirkenden Instrumenten, so daß das Meßgerät gemäß der Erfindung besonders geeignet für die Messung von Medien schnellveränderlicher Konzentration ist, wobei großes Auflösungsvermögen, großer Meßbereich und hohe Genauigkeit gleichzeitig und unabhängig von einander benötigt werden, wie z.B. bei der Oberwachung von medizinischen und biologischen Stofiwechselvorgängen (Anasthesie- und Respirationsgasanalyse).
• Ein weiterer Vorzug der Erfindung beruht in der einfachen Möglichkeit, Schwankungen der Schallaufzeit, wie sie durch das Einschwingen der akustischen Wandler und der elektrischen Bauelemente sowie durch Temperaturschwankungen des Gases bewirkt werden, durch Laufzeitglieder zu kompensieren. Eine Kompensation bei anderen Meßverfahren erscheint ungleich schwieriger, zumal sie auf elektrische Weise allein nicht möglich ist.
• Ein weiterer Vorzug der vorliegenden Erfindung liegt in der Bedeutungslosigkeit des Strömungszustandes des DIediums in der Analysenkammer während der Messung, da er keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat.
• Wird neben der Schallaufzeit auch noch gleichzeitig die Schallabsorption der ausgesandten Schallimpulse - diese ist bei Impulsverfahren nach bekannten Verfahren leicht meßbar -gemessen, so kann nicht nur die Konzentration von Gasgemischen bestimmt werden, sondern auch noch das Auftreten von weiteren Gasen und sogar deren Zusammensetzung festgestellt werden, was zum Beispiel bei der Überwachung von Abgasen von Bedeutung ist.
• Im folgenden werden Ausführungsbeispiele beschrieben, die mit einfachen Mitteln die laufende Anzeige und/oder Registrierung der Schallaufzeit oder Schallgeschwindigkeit eines zu analysierenden Mediums ermöglichen, um deren Zusammensetzung zu messen.
• Das Gerät besteht-z.B. aus einem handelsüblichen elektroakustischen Sender und einem ebensolchen Empfänger, die an gegenüberliegenden Wandungen einer Meßkammer körperschallisoliert angebracht sind. Die Meßkammer ist luftdicht und besitzt zwei Öffnungen, an denen Rohrleitungen angebracht werden können, durch die das zu untersuchende Medium hindurchtreten kann. Ferner besitzt sie zwei elektrische Durchführungen, an die der Sender bzw. der Empfänger angeschlossen sind. Zur Unterdrückung von Schallreflektionen kann in kritischen Fällen im Innern der Meßkammer schallschluckende Materialicn und Blendensysteme angebracht werden.
• Der elektroakustische Sender (z.B. elektrostatischer, elektrodynamischer, piezoelektrischer oder elektromagnetischer Wandler) wird von einem elektrischen Impulserzeuger mit der Impulsfolgefrequenz f gespeist, so daß er Schallimpulse aussendet. Diese Sendeimpulse können z.I3. Nadelimpulse oder cin- und ausges chal tete sinusförmige Tonimpulse sein. Diese Schallimpulse werden vom gegenüberliegenden Empfänger (z.B.
• Kondensatonni0krophon, Kristallmikrophon oder dynamisches Mikrophon) aufgenommen, so daß an dessen Ausgangsklemmen Spannungsimpulse (oder Stromimpulse) entnommen werden können, die gegebenenfalls verstärkt und mit einem sogenannten Impulsformer in bekannter Weise geformt werden, so daß stets gleichartige Impulse zur Verfügung stehen unabhängig davon, ob die Schallimpulse durch Dämpfung des mediums oder Verzerrungen der Wandler ihre ursprüngliche Form verändert haben.
• Das Schallaufzeitmeßgerät kann unter Verwendung einer durch die Schallimpulse gesteuerte bistabile Kippschaltung aufgebaut werden, wobei der Sendeizi.puls einen Spannungssprung am Ausgang der bistabilen Kippstufe auslöst, den der Empfangsimpuls wieder rückgängig macht, so daß durch die Impulsbreite des Spannungssprunges die Schallaufzeit bestimmt werden kann. Dieses Impulssignal kann durch ein übliches mittelwertbildendes oder ein zeitintervallmessendes Instrument vorgenommen werden, wobei die Skala zweclcniäßigerweise das Ivlischungsver11ältnis des zu analysierenden Mediums angibt.
• Für diesen Fall eignen sich besonders gut Instrumente mit elektrisch oder- mechanisch unterdrücktem Nullpunkt. Das Impulssignal kann auch gleichzeitig zur Weiterverarbeitung für Kontroll- und Regel zwecke verwendet werden. Durch Einschwingvorgänge von Sender, Empfänger, Verstärker und Impulsformer wird eine zusätzliche Schallaufzeit vorgetäuscht, die jedoch durch ein Laufzeitglied bekannter Bauart derart kompensiert werden kann, daß ein Laufzeitglied vor der bistabilen Kippstufe angebracht wird, daS vom Sendeimpuls zusätzlich durchlaufen werden muß.
• Die Veränderung der Schallaufzeit, die durch Temperaturschwanungen des dur'chströrnenden Gases hervorgerufen wird, kann ebenfalls durch ein Laufzeitglied kompensiert werden, das mit dem vorher beschriebenen Laufzeitglied in Reihe geschaltet ist. Dabei wird das ZWeite Laufzeitglied von einem in der Meßkammer befindlichen Temperaturfühler gesteuert.
• In manchen Fällen kann es vorteilhafter sein, die Schallgeschwindigkeit auf Grund einer günstigeren Skalenteilung zu nessen. In diesem Fall kann das Ausgangsimpulssignal beispielsweise auf übliche Quotientenmeßgeräte oder auch mit -Lilfe kehrwertbildender Baustufen (Netzwerk mit hyperbolischer Kennlinie in bekannter Bauart) auf ein übliches Strom-oder Spannungsmeßgerät gegeben werden, so daß ein zur Schalllaufzeit reziproker Wert angezeigt wird, welcher proportional zur Schallgesc11windigkeit ist.
• Das Ausgangsimpulssignal läßt jedoch auch unter Verwendung eines sogenannten Spannungs-Frequenzumsetzers sich in eine Frequenz umformen, so daß bei Messung der Periodendauer dieser Frequenz durch einen elektronischen Zähler ebenfalls eine zur Schallgeschwindigkeit proportionale Größe angezeigt wird.
• Wesentliches Merkmal des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels ist die Eigenschaft, daß Echos von reflektierten Impulsen keine Meßfehler bewirken können, weil der vom Sendeimpuls ausgelöste Spannungssprung am Ausgang der bistabilen Kippstufe nur vom zeitlich direkt folgenden Empfängerimpuls wieder rückgängig gemacht werden kann. Echos treffen am Empfänger jedoch später ein und sind infolgedessen sirkungslos. Anstelle des im Beispiel beschriebenen Nadelimpuls als Sendeimpuls kann man auch ein-und ausgeschaltete sinusförmige Tonimpulse verwenden, die in denjenigen Fällen von großem Vorteil sind, wenn das zu analysierende Gasgemisch die Schallimpulse stark dämpft, so daß die empfangenen Tonimpulse sich von Rausch- und Störimpulsen nur noch wenig unterscheiden. In diesem Fall kann nach dem Mikrophon eine Verstärkerschaltung eingefügt werden, die nur für sinusförmige Impulse empfindlich (sogenanNte selektive Verstärker) sind und daher Rausch- und Störimpulse ausfiltern.
• Man erreicht auf diese einfache Weise ein besseres Stör-Signal-Verhältnis.
• Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann Ileßkammer und die Anordnung der akustischen Wandler mit der oben beschriebenen identisch sein. Der akustische Sender wird dabei von einem elektrischen Impulsgenerator gespeist und sendet dadurch Nadel- oder Tonimpulse aus, die ebenfalls von einem akustischen Empfänger aufgenommen werdeg, so daß an dessen Ausgangsklemmen ein elektrischer Impuls zur Verfügung steht, der gegebenenfalls verstärkt und in eine geeignete Form gebracht wird. Jeder empfangene Impuls veranlaßt den elektrischen Generator einen neuen Sendeimpuls an den akustischen Sender abzugeben (sog. triggerbarer Generator), so daß die Anzahl der Impulse, die pro Zeiteinheit ausgelöst werden, also die Pulsfrequenz fp, eine zur Schallgeschwindigkeit proportionale Meßgröße ist. Auf Grund des Zusammenhangs zwischen Schallgeschwindigkeit clSchallaufzeit t und Schallweg s Die Anzeige kann bei dieser Ausführung auf verschiedene Weisen erfolgen: 1) als schallgeschwindigkeitsproportionale Frequenz, indem z.B. die Sendeimpulse von einem elektronischen Zähler in vorgegebener Zeiteinheit gezählt werden, 2) als schallaufzeitabhängiger Zeitintervall, der durch die Periodendauer der Pulsfrequenz gegeben ist und durch eine Periodendauermessung zum Beispiel mit einem Universalzähler gemessen werden kann, 3) als schallgeschwindigkeitsproportionale Spannung oder Strom, indem die empfangenen Schallimpulse in rechteckförmige elektrische Impulse konstanter Impulsdauer umgefonnt werden mit hilfe sogenam1ter Impulsformer, und der zeitliche Mittelwert dieser Impulse mit einem Drehspulinstrument oder einem üblichen Strom- oder Spannungsmesser gemessen und angezeigt wird, 4) als konzentrationsabhängige Sannung oder Strom, indem wie unter 2) verfahren wird mit der Ausnahme, daß zur Anzeige ein Strom oder Spannungsmesser verwandt wird, dessen Nullpunkt mechanisch oder elektrisch unterdrückt werden kann, so daß der Anzeigebereich voll ausgenutzt oder eventuell auch gespreitzt wird. Bei diesem Verfahren können eingekoppelte Störin11)ulse und Echos unter ungünstigen Umständen cventuell ebenfalls den Generator veranlassen einen unerwünschten Sendeimpuls auszusenden. Diese Störung macht sich durch eine Verdopplung der Puls frequenz bemerkbar. Zur Störunterdrückung dieser Impulse kann man daher die empfangenen Impulse auf zwei mittelwertbildende Verstärker geben, die verschieden lange Zeitkonstanten besitzen. Bildet man die DifferenzspannLing dieser beiden Ausgangssignale, so erreicht diese nur dann große Werte, wenn die Pulsfrequenz sich plötzlich verdoppelt, so daß diese Differenzsparn1ung z.B. ein relais betätigen kann, das den Impulsumlauf unterbricht. Die Auslösung eines neuen Impulsumlaufs geschieht durch den Generator, der immer dann einen neuen Impuls aussendet, wenn eine gewisse Zeit kein Inpuls ausgesandt wurde. Ein Ansprechen des Relais beim erneuten Start wird durch eine Ansprech-Zeitverzögerung vermieden. Durch diese Maßnahme wird auch gewährleistet, daß durch Ausbleiben eines Schallimpulses am Empfänger die Konzentrationsmessung nicht unterbrochen wird. Bci diesem Verfahren können ebenfalls sehr vorteilhaft Tonimpulse verwendet werden, wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
• Die zusätzliche Messung der Schallabsorption kann z.B. so vorgenommen werden, daß in der Meßkammer noch ein weiterer elektreakustischer Empfänger angebracht wird, der nur wenig vom Sender entfernt ist. Die an den beiden Empfängern entnommenen Signale werden verstärkt und die Differenz der Spitzenwerte der beiden Signale gebildet und von einem üblichen Spannungsmesser angezeigt. Der angezeigte Wert ist dabei ein Maß für die Größe der Schallabsorption.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Akustischer Gasanalysator bei dem ein elektroakustischer Sender in einer das Gasgemisch enthaltenden r4eßkanuner einem Empfänger gegenübersteht, d a d u r c g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Sender Schallimpulse aus sendet, deren von der Zusammensetzung des Gasgemisches abhängige Laufzeit als Meßgröße ermittelt wird.

2. Akustischer Gasanalysator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Laufzeitmessung mit Hilfe einer bistabilen Kippschaltung derart gesteuert wird, daß bei der Aussendung des Schallimpulses der Anstieg eines Impulssignals erfolgt, dessen Abfall und damit dessen Impulsbreite durch das Eintreffen des Schällimpulses am. Empfänger bestimmt wird.

3. Akustischer Gasanalysator nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c Ii n e t , daß die durch Einschwingvorgänge von Sender und Empfänger bedingten und die durch Temperaturschwankungen des Mediums hervorgerufenen Laufzeitänderungen durch ein Laufzeitglied kompensiert werden.

4. Akustischer Gasanalysator nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h eine Impulsumlaufsteuerung, bei der eine laufzeitabhängige Impulsfrequenz erzeugt wird.

5. Akustischer Gasanalysator nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c 11 n e t , daß zur Störunterdrückung, zwei auf plötzliche Änderungen der Impulsfolgefrequenz unterschiedlich reagierende Bauelemente vorgesehen sind, welche bei plötzlichen Änderungen eine Differenzgröße bilden, die den Impulsumlauf abbricht und ein neuer Impulsumlauf ausgelöst wird.

6. Akustischer Gasanalysator nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c 11 n e t , daß die beiden unterschiedlich reagierenden Bauelemente zwei Verstärker mit unterschiedlicher Eins chwing zeit sind.

7. Akustischer Gasanalysator nach Anspruch 1 bis 6 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zusätzlich die von der Zusammensetzung des Gasgemisches abhängige Schallabsorption als Meßgröße ermittelt wird.

Herangezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr.1 -010 297, 1 207 670