DE2124074A1

DE2124074A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung eines brennbaren Fluids

Info

Publication number: DE2124074A1
Application number: DE19712124074
Authority: DE
Inventors: Ellsworth Richard Palatine 111. Fenske (V.StA.). P
Original assignee: Universal Oil Products Co
Current assignee: Universal Oil Products Co
Priority date: 1970-05-15
Filing date: 1971-05-14
Publication date: 1971-11-18
Also published as: JPS5140997B1; US3582280A; GB1340731A; FR2091712A5; CA932171A

Description

Universal Oil Products Company '· 30 Algonquin Road, DES ELAINES, Illinois 60016 (V.St.A.)

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung eines brennbaren Fluids.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung eines brennbaren Fluids unter Benutzung einer stabilisierten "kalten Flamme" mit einer mittels HilfsSteuerung eingestellten Flammenfront, und zwar insbesondere zur Bestimmung der Zusammensetzung oder einer Eigenschaft einer Kohlenwasserstoffmischung, vorzugsweise zur Bestimmung der Oktanzahl eines Kohlenwasserstoffluids im Benzinsiedebereich·

Die Erscheinung der Ausbildung von kalten Flammen ist in der Fachwelt bekannt. Wenn ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffdämpfen und Sauerstoff innerhalb der Explosionsgrenzen bei Druck- und !Temperaturen unterhalb des normalen Zündpunkts gehalten wird, treten partielle Oxydationsreaktionen ein, die zur Bildung von Aldehyden, Kohlenmonoxyd und anderen partiell oxydierten Verbrennungeprodukten führen· Diese Produkte werden anscheinend Über kettenreaktionen erzeugt, die vermutlich auch Ionen

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erzeugt, welche dann die Reaktionskette in irgendeiner Weise fortsetzen· Wenn eine solche Mischung aus Kohlenwasserstoffdämpfen und Sauerstoff abgegrenzt sowie verdichtet und/oder erhitzt wird, so daß diese Kettenreaktionen mit beträchtlichen Geschwindigkeiten ablaufen, werden "kalte Flammen" in der Brennkammer beobachtet· Die kalten Flammen sind durch Lichtemissionen gekennzeichnet, die von der Entwicklung verhältnismäßig kleiner Wärmemengen begleitet sind.

In dieser Definition ist die Tatsache enthalten, daß es bei der Erscheinung kalter Flammen an einer völligen Verbrennung und einer völligen Zündung und Explosion mangelt· Die Arbeit von Barusch und Payne in "Industrial and Engineering Chemistry", Band 43, S. 2329 2332, 1951 beschreibt im einzelnen die Ergebnisse, die aus kontinuierlichen oder stabilisierten kalten Flammen erhalten werden.

Im Grunde besteht die Benutzung dieser Erscheinung in der Praxis der vorliegenden Erfindung darin, einen Verbrennungsparameter derart zu manipulieren, um die kalte Flamme relativ zu einem Ende der Brennkammer ortsfest zu halten· Der geänderte Verbrennungsparameter wird dann abgefühlt und dazu benutzt, ein Ausgangssignal zu schaffen, das funktionell die Zusammensetzung des in der Brennkammer oxydierten Fluids wiedergibt oder damit in Korrelation steht·

Eine ausführliche Erläuterung und Beschreibung der Grundvorrichtung und des Grundverfahrens zur Ermittlung von Zusammensetzungeeigenschaften unter Verwendung kalter Flammen ist der US-Patentschrift 3 463 zu entnehmen· Es sei daher unmittelbar auf die gesamte in dieser Patentschrift enthaltene Lehre für zusätzliche

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und besondere Einzelheiten der Konstruktion einer bevorzμgten Ausführungsform der Grundvorrichtung und des Grundverfahrens hingewiesen· In der vorliegenden Anmeldung wird eine Verbesserung des Grundverfahrens und der Grundvorrichtung, die in der genannten Patentschrift offenbart sind, beschrieben und beansprucht·

Eine der Schwierigkeiten, die dem Verfahren und der Vorrichtung nach der US-Patentschrift 3 4-63 613 anhaftet, betrifft die Eichung der Meßvorrichtung, um Verbrennungseffekte zu kompensieren, die nicht für die Zusammensetzungseigenschaften des zu analysierenden Fluids kennzeichnend sind.

So wurde z.B. gefunden, daß bei einem Betrieb der Vorrichtung nach der vorgenannten US-Patentschrift über eine längere Zeit gelegentlich Ausgangssignale erzeugt wurden, die die "Alterung" der Vorrichtung widerspiegelten. Diese Alterung kann durch ein Verstopfen (plugging) von Vorwärmern oder von Strömungsdiffusorelementen hervorgerufen werden, die im Innern der Brennkammer (in Strömungsrichtung) kurz oberhalb der Brenndüse angeordnet sind. Weiter wurde bei der Analyse von bleihaltigem Benzin gefunden, daß Niederschläge von Bleioxyden innerhalb der Brennkammer Verbrennungseffekte hervorriefen, die nicht für die Bestandteilseigenschaften der in der Kammer verbrannten Benzinfraktion bezeichnend waren.

Es hat sich weiter herausgestellt, daß Schwankungen des in die Brennkammer eingeführten Oxydationsmittels Verbrennungseffekte hervorriefen, die ein fehlerhaftes, nicht in Korrelation zu den Bestandteilseigenschaften des in der Kammer verbrannten Fluids stehendes Anzeigesignal erzeugten· Wenn z.B. das Oxydationsmittel in typischer Weise mittels eines Druckluftsystems in die

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Brennkammer eingeführt wird, so kann die Druckluft mikroskopische Mengen von mitgeführtem Schmieröl enthalten, das aus dem Luftkompressor aufgenommen wurde. Weiter wurde gelegentlich gefunden, daß Änderungen der Windrichtung Abzugsgase von nahegelegenen Schornsteinen zuführen, so daß der Luftkompressor zeitweise Verbrennungsprodukte enthaltende Luft aufnimmt· Das führt zu einem in die Brennkammer eingeführten Oxydationsmittel, dem es nicht nur an Sauerstoff mangelt, sondern das außerdem einen beträchtlichen Anteil von weiterem verbrennbaren Material enthält, wie Kohlenmonoxyd oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die in den Abzugsgasen enthalten sind«

lerner ist es in der Technik üblich, den Verbrennungs-Analysator der vorliegenden Erfindung nahe dem zu analysierenden Materialstrom anzuordnen und daraus Zustandssignale zur Steuerzentrale der Raffinerie oder der chemischen Fabrik zu leiten, in der die Meßvorrichtung für Überwachungs- oder Steuerzwecke angewandt wird. Dabei ist die Brennkammer der Meßvorrichtung im Freien angeordnet und infolge der wechselnden atmosphärischen Bedingungen WärmeSchwankungen ausgesetzt. Diese Schwankungen der atmosphärischen Bedingungen erzeugen thermische Effekte in der Brennkammer, die für die Zusammensetzung des zu analysierenden Fluids nicht kennzeichnend sind·

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, das Verfahren sowie die Vorrichtung zur Analyse von brennbaren Fluiden in der das Fluid mit Hilfe einer stabilisierten kalten Flamme analysiert wird, zu verbessern. Insbesondere sollen nach der Erfindung die Zusammensetzungseigenschaften von Kohlenwasserstoffmischungen untersucht werden und insbesondere die Oktanzahl von Kohlenwasserstoffen im Benzinsiedebereich·

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Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung sieht zur Bestimmung der Zusammensetzungseigenschaften eines brennbaren Fluids die folgenden Schritte vor:

a) Einführung eines Probenstroms des Fluids und eines sauerstoffhaltigen Gasstromes in das eine Ende einer Brennzone, einschließlich eines Induktionsabschnittes, der auf einer erhöhten !Temperatur gehalten wird,

b) partielle Oxydation des Probenstromes in der Brennzone und Erzeugung einer kalten Flamme, die durch eine relativ schmale, wohldefinierte Flammenfront im Abstand vom genannten Ende der Brennkammer gekennzeichnet ist,

c) Abfühlen der Lage der Flammenfront in Bezug auf das genannte Brennkammerende und Ableitung eines Steuersignals,

d) Verwendung des Steuersignale um einen Verbrennungsparameter (Verbrennungszonendruck, Temperatur im Induktionsabschnitt, Durchsatz des Probenstromes oder Durchsatz des sauerstoffhaltigen Gasstromes)/^ um die Flammenfront in Bezug auf das genannte Brennkammerende unabhängig von Schwankungen der Zusammensetzung des Probenstromes ortsfest zu halten und

e) Kompensieren des Ausgangssignals aufgrund der Messung eines Störeffektes zur Ausschaltung des Einflusses dieses Störeffektes auf das Ausgangssignal·

Insbesondere sollen sich an die obengenannten Verfahreneschritte a) - d) die folgenden Schritte anschließen:

e) Abfühlen des eingestellten Parameters und Übermittlung eines ersten Parametersignals zu Signaläufbereitungsmitteln,

f) Verarbeitung des ersten Parametersignals xn den Signalaufbereitungsmitteln und Erzeugung eines ersten Zuetands-AuBgangssignals, das funktionell die scheinbare Zusammensetzung des Probenstromee wiedergibt und /zu verstellen

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funktionell auf Änderungen in der Zusammensetzung des Probenstromes anspricht,

g) periodisches Trennen des Erobenstromes von der Brennzone und gleichzeitiges Einleiten eines Bezugsflüssigkeitsstromes von bekannter Zusammensetzung in die Brennzone, um die Erzeugung der ortsfest gehaltenen Flammenfront aufrechtzuhälten,

h) Abfühlen des nachgestellten Parameters.während der Trennperiode und Übermittlung eines zweiten Parametersignals zu den Signalaufbereitungsmitteln, wobei das zweite Parametersignal die scheinbare Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit wiedergibt,

i) Vergleich des zweiten Parametersignals mit dem Bezugswert des Parametersignale, das funktionell dem tatsächlichen bekannten Wert der Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit entspricht,

j) Einstellung der Signalaufbereitungsmittel in solcher Weise, daß ein zweites, kompensiertes Zustandsausgangssignal erzeugt wird, das die Ausschaltung des Unterschiedes zwischen dem zweiten Parametersignal und dem Bezugswertparametersignal berücksichtigt und dadurch funktionell den tatsächlichen bekannten Wert der Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit wiedergibt^

k) periodisches Trennen des Bezugsflüäsigkeitsstromes von der Brennkammer bei Aufrechterhaltung des Zustandes der Signalaufbereitungsmittel und

1) gleichzeitiges Einführen des Probenstromes in die Brennzone, um die Flammenfront aufrechtzuerhalten, wodurch die Signalaufbereitungsmittel ein drittes Parametersignal empfangen und davon ein drittes Zustande-AuBgangssignal ableiten, das in Bezug auf Verbren-

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nungseffekte kompensiert ist, die für die Zusammensetzungseigenschaften nicht kennzeichnend sind, wodurch das dritte Zustandsausgangssignal die wirkliche Zusammensetzung des Probenstromes wiedergibt.

Bei Verwendung einer die Brennzone umgebenden Zone von erhöhter Temperatur wird unter Beibehaltung der Verfahrensmerkmale a) - d) vorgeschlagen,

e) Abfühlen des eingestellten Parameters und Ableitung eines Parametersignals, das auf Änderungen der Zusammensetzung anspricht,

f) Abfühlen der Temperatur, und zwar der Temperatur des Induktionsabschnittes oder der Temperatur in der Zone erhöhter Temperatur, und Ableitung eines Temperatursignals, das Schwankungen der abgefühlten Temperatur wiedergibt,

g) Weiterleitung des Parametersignals und des Temperatursignals zu Signalaufbereitungsmitteln und Erzeugung eines Zustandsausgangssignals, das die Zusammensetzung des Probenstromes wiedergibt, wodurch das Zustandsausgangssignal in Bezug auf Schwankungen der abgefühlten Temperatur kompensiert die Zusammensetzung wieder* gibt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zur Ermittlung der Zusammensetzung eines brennbaren chemischen Fluids ist durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet!

a) Eine Brennkammer mit einem Induktionsabschnitt,

b) Mittel zur Erzeugung einer kalten Flamme innerhalb der Brennkammer, die durch eine verhältnismäßig schmale, wohldefinierte Flammenfront gekennzeichnet ist« wobei als Brennstoff daß zu analysierende chemische

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Fluid dient und die Mittel zur Erzeugung der Flamme Mittel zur Einführung des Fluidstromes und eines Oxydationsmittelstromes in die Brennkammer aufweisen,

,c) Mittel zum Abfühlen der räumlichen Lage der Flammenfront in der Brennkammer,

d) mit den Abfühlmitteln für die Flammenfront gekuppelte Steuermittel zur Einstellung eines Verbrennungsparameters (Verbrennungsdruck, Temperatur des Induktionsabschnittes, Durchsatz des Fluidstromes oder Durchsatz des Oxydationsmittelstromes)j um die Flammenfront in Bezug auf die Brennkammer ortsfest zu halten,

e) Mittel zum Abfühlen des eingestellten Parameters und Ableitung eines Parameterausgangssignals, das die Zusammensetzung des Fluidstromes wiedergibt,

f) Signalaufbereitungsmittel, die das Parameterausgangssignal empfangen,

g) Zustandssignal-Erzeugungsmittel innerhalb der Signalaufbereitungsmittel zur Erzeugung eines Zustandsausgangssignals, das die Zusammensetzung wiedergibt,

h) Mittel zur periodischen Trennung des Fluidstromes von den flammenerzeugenden Mitteln und zur gleichzeitigen Einführung eines Bezugsflüssigkeitsstromes bekannter Zusammensetzung in die flammenerzeugenden Mittel in ausreichender Weise, um die Erzeugung der ortsfest gehaltenen Flammenfront fortzusetzen,

i) Mittel, durch die zu den Signalaufbereitungemitteln ein Zeitsignal geleitet wird, das den Zufluß des Bezugsflüssigkeitsstromes zu den flammenerzeugenden Mitteln anzeigt,

j) Vergleichsmittel in den Signalaufbereitungsmitteln, dl· auf das Zeitsignal ansprechen und da« Zuetande-

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ausgangssignal, das aufgrund der Bezugsflüssigkeit·=· Flammenfront erzeugt wurde, mit einem Bezugswertsignal

vergleichen, das dem wirklichen bekannten Wert der Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit entspricht, und daraus ein Vergleichswertsignal ableiten,

k) Einstellmittel in den Signalaufbereitungsmitteln, die auf das Vergleichswertsignal ansprechen und die Zustandssignal-Erzeugungsmittel einstellen, um die Abweichung zwischen dem Zustandsausgangssignal der Bezugsflüssigkeit-Flammenfront und dem Bezugswertsignal zu kompensieren und

der Einstellung des 1) Mittel zur Aufrechterhaitung/der Zustandssignal-Erzeugungsmittel, wenn die Trennperiode beendet wird und anstelle der Bezugsflüssigkeit wieder der Fluidstrom den flammenerzeugenden Mitteln zugeführt wird, wobei das Zustandsausgangssignal, das durch die Flammenfront des Fluidstromes erzeugt wird^ im Hinblick auf Verbrennungseffekte kompensiert ist, die nicht für die Zusammensetzung kennzeichnend sind, so daß das Zustandsausgangssignal die wirkliche Zusammensetzung des brennbaren Chemischen Fluids wiedergibt und in Korrelation dazu steht.

Eine Meßvorrichtung mit einer Brennkammer, dia von einer äußeren Kammer umgeben ist, die eine Zone er höhter Temperatur einschließt, weist außer den vorge nannten Merkmalen a) - e) die folgenden Merkmale auft

1) Mittel zum Abfühlen der Temperatur, und zwar der Temperatur des Induktionsabschnittes oder der Temperatur in der Zone erhöhter Temperatur, und Ableitung eines Temperatursignals, das Schwankungen der abgefühlten Temperatur wiedergibt,

g) Signalaufbereitungemittel zum Empfang dea Paraaeteraignali und de« Teaperatureignale und sur Ableitung dar Einstellung das

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eines Zustandsausgangssignals, das funktionell die Zusammensetzung des brennbaren chemischen Fluids wiedergibt und in Korrelation dazu steht, bo daß das Zustandsausgangssignal die wirkliche Zusammensetzung in Bezug auf Schwankungen.der abgefühlten Temperatur kompensiert wiedergibt.

Zusammengefaßt sieht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung somit ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, durch die die Zusammensetzung eines brennbaren Fluids durch Oxydation dieses Fluids in einer stabilisierten kalten Flamme/ mittels einer Hilfssteuerung einstellbarer Flammenfront bestimmt werden kann, um ein temperaturkompensiertes Zustandsausgangssignal zu erzeugen, und die periodisch wieder nachgeeicht wird, um Abweichungen zu kompensieren, die durch eine Bezugsflüssigkeit bekannter Zusammensetzung festgestellt werden· Auf diese Weise wird das Zustandsausgangssignal ständig im Hinblick auf Verbrennungseffekte kompensiert, die für die Zusammensetzung nicht bezeichnend sind, und das Zustandeausgangs signal wird dadurch mit der wirklichen Zusammensetzung des zu analysierenden Fluids in Korrelation gesetzt.

Die hier gebrauchten Bezeichnungen Zusammensetzung oder Zusammensetzungseigenschaften beziehen sich nicht auf eine Zusammensetzung, wie sie durch eine Analyse, etwa mittels eines Massenspektrometers oder Dampfphaeenchromatografen, ermittelt wird. Die Zusammensetzung wird vielmehr empirisch mit einer oder mehreren üblichen Eigenschaften oder Besonderheiten in Beziehung gesetzt. Wenn das zu analysierende Fluid z.B. eine Kohlenwasserstoff mischung ist, so wird di· Zusammensetzung durch das Zustandsausgangssignal eine übliche Kenngröße oder physikalische Größe, 5.3. den Reid-Daapfdruok, di·

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ASTM-oder Engler-Destillationen, den Siedebeginn oder das Siedeende usw., wiedergegeben. Wenn Kohlenwasserstoff im Benzinsiedebereich analysiert wird, so wird die durch das Ausgangssignal wiedergegebene Zusammensetzung typischerweise eine Klopfeigenschaft wie die Research-Oktanzahl oder die Motoroktanzahl sein.

Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung muß ständig in Bezug auf Verbrennungseffekte wieder nachgeeicht und kompensiert werden, die nicht für die Zusammensetzung des zu analysierenden Fluids oder für die Zusammensetzungseigenschaft» aus der das Zustandssignal abgeleitet wird, kennzeichnend sind. Um diese Kompensation des Zustandsausgangssxgnals zu erreichen, werden Mittel zur periodischen Trennung des zu prüfenden Fluids von der Brennkammer der Vorrichtung und zur gleichzeitigen Einführung einer Bezugsflüssigkeit vorgesehen. Es ist in der Technik bekannt, durch welche Verfahren man Bezugsflüssigkeiten von bekannter Zusammensetzung erhält. Da die Bezugsflüssigkeit mit dem unbekannten Fluid verglichen wird, es es besonders wünschenswert, daß die Kohlenwasserstoffart der Bezugsflüssigkeit ähnlich derjenigen des zu prüfenden unbekannten Fluids ist. Wenn z.B. das zu analysierende Fluid Kohlenwasserstoffe enthält, die Benzinfraktionen mit einer Oktän-. zahl von etwa 95 enthalten und vorwie.gend aus Reformatbenzin bestehen, so ist es erwünscht, daß die Bezugsflüssigkeit ebenfalls ein Reformatbenzin mit einer Oktanzahl von etwa 95 ist.

Unter diesen Bedingungen wird das Zustandsausgangssignal, das durch die Verbrennung der Bezugsflüssigkeit erzeugt wird, die ermittelte Eigenschaft der Bezugsflüssigkeit anzeigen und eine gültige Basis für Vorgleichezweeke mit der Probe der unbekannten zu prüfenden Flüssigkeit liefern. Eine Abweichung des Zustandaauegangs-

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signals der Bezugsflüssigkeit von dem bekannten Zustandsausgangs signal entsprechend der bekannten Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit bedeutet eine Abweichung, die aus Verbrennungseffekten herrührt, die nicht für die Zusammensetzung kennzeichnend ist. Demzufolge wird die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung korrigierende Einstellungen vornehmen, damit das Zustandsausgangsßignal einen Wert ergibt, der die wirkliche Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit wiedergibt· Wenn daher die unbekannte Probe erneut in die Brennkammer eingeführt wird, so ist das dann erzeugte Zustandsausgangssignal in Bezug auf die ermittelten Abweichungen kompensiert und korrigiert.

Die hier gebrauchten Bezeichnungen "Ausgangssignal" und "Zustandsausgangssignal" sind im weitesten Sinne auszulegen und schließen analoge Signale aller Art ein, z.B. amplituden-, phasen- oder frequenzmodulierte elektrische Signale oder Drucksignale durch übliche pneumatische Übertragungsmittel; desgleichen auch digitale Ausführungsformen dieser Signale. Diese Bezeichnungen sollen ferner einfache mechanische Bewegungen oder Auslenkungen von Übertragungsmitteln (die mechanisch, elektrisch oder pneumatisch mit einer physikalischen Anzeigevorrichtung, z.B. einem Zeiger, einem Registrierstift oder einer digitalen Anzeigetafel gekoppelt sind, umfassen) einschließlich beispielsweise die Ausdehnungen oder Kontraktionen eines Bourdon-Rohresjvon Druckspiralen oder -wendeln, die Auslenkung von Balgklappen, Düsenmembranen oder (elektromagnetischen) Differentialkernumformern, die Bewegung von bimetallischen temperaturempf^indlichen Elementen oder die Bewegung eines Schiebers in einem sich selbst abgleichenden Potentiometer, UBW.

Das Zustandsausgangssignal kann ohne sichtbare Anzeige direkt dazu benutzt werden, ein Regelelement,

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wie einsMembranmotor oder eine Nachregelschleife (sub-control loop) in einem Kaskadensystem nachzustellen. Im allgemeinen wird das Zustandsausgangssignal Jedoch zu einer Ausgabevorrichtung geleitet, die eine Anzeigeoder Registriervorrichtung einschließt oder damit gekoppelt ist und deren Skala oder Einteilung in Einheiten der gewünschten kennzeichnenden Zustandseigenschaft der Fluidprobe kalibriert sein kann, z.B. in Oktanzahlen, Siedebeginn, 90 # Siedepunkten, Dampfdruck und dergl.

Die Lage der kalten Flammenfront wird vorzugsweise durch Temperaturfühler ermittelt, z.B. durch ein Paar von in axialem Abstand angeordneten Thermoelementen, die in einem bestimmten Abstand vom einen Ende der 'Brennzone und in einem bestimmten, festen gegenseitigen Abstand angeordnet werden. Wie weiter unten des Näheren ausgeführt wird, aktiviert das von den Thermoelementen erzeugte Signal geeignete Steuermittel zur Einstellung eines Parameters oder einer Zustandsgröße der Verbrennungszone, um die kalte Flammenfront zwischen den beiden Thermoelementen ortsfest zu halten. Die Zustandsgröße der Verbrennung, die mit den besten Ergebnissen als Steuermittel verwendet werden kann, ist der Druck in der Verbrennungszone ·

Testproben, die kontinuierlich nach der Erfindung analysiert werden können, schließen im Normalzustand gasförmige und flüssige brennbare Chemikalien ein· Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Testproben Kohlenwasserstoffe enthaltende Mischungen. Diese Mischungen enthalten typischerweise ein oder mehrere Kohlenwasserstoffe mit 1 bis zu 22 Kohleatomen pro Molekül in Mischung mit einem oder mehreren Nichtkohle- waeserstoffen wie Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Wasser und Schwefelwasserstoff.

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Die Kohlenwasserstoffmischungen können auch beträchtliche Anteile von Bleitetraäthyl, Bleitetramethyl und anderen bekannten Antiklopfkomponenten für Kraftstoffmischungen für Brennkraftmaschinen enthalten. Der Analysator der vorliegenden Erfindung arbeitet gut mit Fluiden im Benzinsiedebereich einschließlich Straightrun-Benzin, Krackbenzin, Motoralkylat, katalytisch reformiertes Benzin, thermisch reformiertes Benzin und Hydrokrackbenzin.

Das für die Vorrichtung nach der Erfindung verwendete Oxydationsmittel ist vorzugsweise ein säuerst off haltiges Gas, wie z.B. Luft, im wesentlichen reiner Sauerstoff, usw., oder eine synthetische Mischung von Sauerstoff mit einem inerten, das Gleichgewicht beeinflussenden Verdünnungsmedium, wie Stickstoff, Kohlendioxyd oder Wasserdampf.

Die Erzeugung der stabilisierten kalten Flamme wird im allgemeinen unter Verbrennungsbedingungen bei überatmosphärischem Druck und erhöhter Temperatur vorgenommen, obwohl es in einigen Fällen erwünscht sein kann, atmosphärischen Druck oder unteratmosphärischen Druck zu verwenden; z.B. kann der Druck im Bereich von 1-11 atm liegen mit einer maximalen Flammenfronttemperatur von 316 - 358° C. Zur Messung der Zusammensetzung von Benzinfraktionen werden vorzugsweise Drücke η 1,1 - 4,4 atm tmd am vorteilhaftesten von 1,1 - 2 atm

b@i einer Induktionstemperatur von etwa 288 - 4p4° O vorgesehen. Die Steuerung der Induktionszonentemperatur kann durch den Betrag an Vorwärme gesteuert werden, der dem Luft·» oder Oxydat ions strom und dem eingeleiteten Probenstrom zugeführt wird, einschließlich der Testprobe und der Bezugsprobe· Ferner kann die Induktionszonentemperatur durch Wärme von einer äußeren.Quelle an die eigentliche Verbrennungezone übertragen werden· Auf

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jeden Fall können Temperatur und Druck innerhalb der zulässigen Grenzen individuell variiert werden, ohne von stabilen Bedingungen abzuweichen. Selbst außerhalb der hier speziell genannten Grenzen können diese Werte durch einfache Versuche für eine besondere Art und Menge eines brennbaren Erobenfluids ermittelt werden.

Wie bereits erwähnt, wird die Feststellung der Lage der kalten Flamme in der Brennkammer bei der Testprobe und der Bezugsprobe vorzugsweise durch temperaturempfindliche thermoelektrische Mittel bewirkt, obwohl auch andere; äquivalente Mittel herangezogen werden können. Wie geschildert, können Thermoelementfühler a innerhalb der Brennkammer angeordnet werden oder auch ^ außerhalb der Brennkammer. Sie können entweder fest oder derart beweglich vorgesehen werden, daß sie vollständig oder im wesentlichen in Längsrichtung durch die Brennkammer ragen, um die Lage der stabilisierten kalten Flamme innerhalb der Brennkammer festzustellen.

Das Ausgangssignal von den Thermoelementfühlern wird durch Signalmittel zu geeigneten Steuermitteln übertragen, z.B. motorgetriebenen Steuerventilen zur vörzugsweisen Regelung des Drucks in der Brennzone. Im allgemeinen wird das Ausgangssignal der Thermoelementfühler nicht zu einer Anzeigevorrichtung wie einem Re- Mk gistrierstreifen oder einem Koordinatenschreiber geleitet, denn das würde die Signalstärke in einem Maß erschöpfen, daß die Arbeitsweise beeinträchtigt werden könnte. Vorzugsweise besteht die Thermoelement-Fühlvorrichtung aus einem Paar in axialem Abstand angeordneten Thermoelement drähten, die in dünnwandige Hülsen (thermal type pen cil wells) eingesetzt und aus bekannten Materialien bestehen können, z.B. aus Eisen-Konstantan. Die Leitungsdrähte der Thermoelemente sind mit einem geeigneten

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Differenztemperaturregler verbunden. Ein solcher Regler kann aus_; einem üblichen selbstabgleichenden Potentiometer in Verbindung mit pneumatischen Steuermitteln bestehen. Ein geeigneter Eingangsbereich für den Regler lcann von -5 bis +5 Millivolt reichen,und als Ausgangssignal kann ein übliches Luftsignal dienen· Dieses Regelsignal kann z.B. dazu dienen, den Sollwert (set-point) eines Druckreglers nachzustellen;oder kann zur unmittelbaren Regelung des Drucks innerhalb der Brennzone dienen·

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert werden.

Pig. 1 und 2 zeigen vereinfachte schematische Darstellungen von Vorrichtungen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei als Signalaufbereitungsmittel nach Fig. 1 ein Computer dient, der ein Analogoder ein Digital-Computer sein kann)oder nach Fig. 2 ein analoges oder digitales Netzwerk.

In JFig. 1 ist eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die einen Behälter 1 aufweist, der eine Brennkammer 2 umgibt. Der Behälter 1 weist Mittel zur Einführung eines Warmeubertragungsfluids auf, das die Brennkammer 2 umgibt, so daß in der Brennzone geeignete Temperaturbedingungen aufrechterhalten werden, und zwar durch Steuerung der Temperatur in einer Zone 3 erhöhter Temperatur zwischen dem Behälter 1 und der Brennkammer 2. Die Anordnung der Vorrichtung entspricht der in der genannten US-Patentschrift 3 463 613 beschriebenen Vorrichtung. Die Temperatur in der Zone 3 kann durch einen ständigen Umlauf eines Warmeubertragungsfluids von einer äußeren Quelle oder durch Wärmeleitung und natürliche Konvektion des Warmeubertragungsfluids erfolgen, die durch Einbau von Heizvorrichtungen in den Behälter 1 und in die Zone 3 oder durch den Behälter 3 umgebende Heizelemente erzeugt wßrd|ⁿAuf der

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Außenseite des Behälters 1 können ein oder mehrere nicht dargestellte Isolationsschichten aufgebracht werden. Üblicherweise geschieht das, wenn der Behälter normalerweise im Freien aufgestellt und den Witterungabedingungen ausgesetzt ist. Geeignete Maßnahmen zur Einschließung der Brennkammer in einen geeigneten Behälter mit einer geeigneten Temperatursteuervorrxchtung und einer geeigneten thermischen Isolation, um thermische Einflüsse der atmosphärischen Bedingungen zu vermindern, sind dem Fachmann bekannt.

Die Brennkammer 2 ist mit Temperaturfühlern 4· und 5 versehen, die den Ort der stabilisierten kalten Flammenfront, die in der Brennkammer durch die Oxydation der eingeführten Probe erzeugt wird, feststellen können. Die Brennkammer 2 ist mit einem Einlaß 6 für die Zufuhr einer Mischung von Luft oder einem anderen Oxydationsmittel und einem brennbaren Fluid zu einer nicht dargestellten Brennerdüse versehen, die im unteren Teil der Brennkammer 2 angeordnet ist. Die Luft oder das Oxydationsmittel wird über die Leitung 8 und das brennbare Fluid über die Leitungen 19 und 7 eingeführt. Die sich ergebenden Verbrennungsprodukte werden schließlich über die Leitung 9 aus der Brennkammer 2 abgezogen.

Die Mischung von Luft und brennbarem Fluid gelangt über die Leitung 6 in die Brennkammer 2, wo sie infolge der erhöhten Temperatur gezündet wird. Der Bereich der Brennkammer 2 zwischen der Einlaßleitung 6 und dem Temperaturfühler 5 sei als Induktionsabschnitt bezeichnet, der als Teil der Brennzone definiert ist, in der die Oxydation des brennbaren Fluids eingeleitet wird. Daher umfaßt der Induktionsabschnitt genauer gesagt den Raum zwischen der Brennerdüse und der kalten Flammenfront.

Bevorzugt wird die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Feststellung der Oktanzahl einer Benzin-

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fraktion von unbekannter Zusammensetzung benutzt, die über die Leitung 19 und das Ventil 21 in die Leitung 7 gelangt, wo sie mit einem über die Leitung 8 in das System eingeführten Luftstrom zusammentrifft· Die Luft und die Benzinfraktion strömen durch die Leitung 6 in die Brennkammer 2. Die Mischung von Luft und Benzin passiert dann die nicht dargestellte Brenndüse am Boden der Brennkammer 2 und gelangt in deren Induktionsabschnitt, dessen Temperatur etwa 232° O beträgt und auf diesem Wert durch ein aufgeheiztes Fluid konstant gehalten wird, das die Brennkammer 2 in der Zone 3 vollständig umgibt. Der Sauerstoff und das Benzin reagieren im Induktionsabschnitt und erzeugen eine exotherme Heaktion, die schließlich bei einer Temperaturerhöhung auf einen Spitzenwert von etwa 399° O eine kalte Elammesifront erzeugt® Darauf fällt die Temperatur der brennbaren Mischung rasch auf 338° G ab. Wenn die kalte flammanfront stabilisiert ist, stellen die Temperaturfühler 4 und 5 identisch© Temperaturen aufgrund der Tatsache fest, daß di® Verbrennung ein© Spitzentemperatur mit ausgeprägten Temperaturabfällen nach beiden Seiten erzeugt· Die Abgase aus der Verbrennung verlassen die Kammer 2 dann über die Leitung 9©

Als Verbrennungsparameter, der zur Stabilisierung oder zum Festhalten der kalten Flammenfront zwischen den Temperaturfühlern 4 und 5 dient, wird vorzugeweise der bereits erwähnt© Druck in der Verbrennungszone gewählte Mit anderen Worten, ein Anwachsen des Druckes"bewirkt ein Zurückschreiten der Flammenfront gegen das Brennerende der Brennkammer 2_?und ein Druckabfall bedeutet ein Fortschreiten der Flammenfront zum Auslaßende der Brennkammer 2. Wenn sich die Flammenfront in Richtung des Brennerendes der Kammer bewegt, wird der Temperaturfühler 5 demzufolge einen Temperaturanstieg registrieren. Die Temperaturfühler 4 und 5 übermitteln die abgeführten Temperature» über Leitungen 10 und 11 zu einem Differenz-

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temperaturregler 12, der den Druckregler 14 ansteuert, dem ein Drucksignal über die Leitung 13 zugeführt wird· Der Druckregler 14 wird im Sinne einer Abnahme des Verbrennungsdrucks betätigt, bis die Flammenfront wieder in ihre ursprüngliche Lage zwischen den Temperaturfühlern 4 und 5 gelangt· Wenn sich die Kohlenwasserstoffzusammensetzung dagegen derart ändert, daß die Flammenfront sich vom Brennerende der Kammer 2 wegbewegt, wird der Temperaturfühler 4 einen Temperaturanstieg registrieren, und der Regler 12 steuert den Druckregler 14, um den Druck in der Brennkammer 2 so zu erhöhen, daß die Flammenfront in ihre ursprüngliche Lage zurückgelangt.

Obwohl bevorzugt die Änderung des Drucks zur Steuerung eines Verbrennungsparameters verwendet wird, können andere Verbrennungsparameter ebenfalls zufriedenstellende Ergebnisse geben, um die Flammenfront hinreichend ortsfest in der Brennkammer 2 zu halten. Wie in der genannten US-Patentschrift 3 463 613 ausgeführt ist, kann als geeigneter Vurbrennungsparameter der durch das Steuersignal 13 vom Regler 12 geregelt wird, der Durchsatz des Probenstromes durch die Leitung 7» des oxydierenden Gasstromes durch die Leitung 8 sowie auch die Temperatur in der Induktionszone dienen. In allen lallen arbeitet die Vorrichtung mit einer Regelung des ausgewählten Verbrennungsparameters, um die Flammenfront in der Brennkammer ortsfest zu halten, und zwar unabhängig von Schwankungen in der Zusammensetzung des Probenstromes· Der Verbrennungsparameter wird somit gemessen und dient zur Lieferung eines Ausgangssignals, das dann für eine Zusammensetzungseigenschaft des zu analysierenden brennbaren Fluids kennzeichnend ist. Diese Eigenschaft ist bei 'yiner bevorzugten Ausführungsform die Oktanzahl einer Ben jinprobe.

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Die Temperaturfühler 4-, 5 sind vorzugsweise thermoelektrische Mittel wie Thermoelemente. Es können jedoch auch andere, dem Regeltechniker bekannte Mittel zur Feststellung der Flammenfront verwendet werden. ¹L.B. können im Abstand voneinander angeordnete WiderstandsrÖhren oder einfach ein Paar von in Abstand voneinander angeordneten Widerstandsdrähten verwendet werden, die fest durch die Brennzone gespannt und anstelle der zuvor erwähnten thermoelektrischen Elemente in eine Standard-Brücke eingeschaltet werden. Ferner können optisch-elektrische Mittel, z.B. Strahlungspyrometer, verwendet werden. Da die Flammenfront eine beträchtliche Konzentration von organischen Radialen und Ionen enthält, kann ihre Lage auch durch ionen-empfindliche Mittel, z.B. einen Kondensator, im Resonanzkreis (tank circuit) eines Hochfrequenzschwingkreises vorgesehen werden, wobei eine lineare Verlagerung der Flamme die dielektrische Konstante des Kondensator ändert und damit auch die Resonanzeigenschaften des Oszillators. Der Flammenbereich kann auch eine Gleichstrom-Ionisationsstrecke enthalten· Der Fachmann wird weitere geeignete Fühlermittel zur Bestimmung der Lage der stabilisierten Flamme in der Brennzone angeben können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung wird die kalte Flammenfront der brennbaren Fluidprobe zwischen einem Paar von Thermoelementen 4- und 5 in der Brennzorie 2 gehalten. Beide Thermoelemente weisen dann dieselbe Temperatur auf und die am Eingang des Differenztemperaturreglers 12 herrschende Spannung ist etwa Null. Gleiche zufriedenstellende Wirkungen können auch durch die Spannungsdifferenz erzielt werden, wenn die positive oder negative Temperaturdifferenz zwischen 6 und 22° 0 liegt. Das bedeutet, daß die Flammenfront in der Brennkammer 2 dann leicht asymmetrisch zu den Thermoelementen 4- und 5 liegt. Obwohl dieses Verfahren eine größere Empfindlichkeit erzielen läßt, ist

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dies kein entscheidendes Erfordernis· Man erhält bei einem Temperaturunterschied Null ebenfalls gute Ergebnisse·

Auf jeden Pail ermitteln die Schaltungselemente 4, 5»10f 11 und 12 die exakte Lage der kalten Flammenfront durch eine Temperaturdifferenzmessung.. Der Regler 12 steuert dann den Druckregler 14, um die Flammenfront entsprechend einer Temperaturdifferenz von Null zu verstellen· Die erforderliche Änderung des Verbrennungsdrucks, um die Flammenfront in ihrer vorbestimmten Lage zu halten, steht daher in Korrelation zu der Zusammensetzung des in der Brennkammer 2 oxydierten Fluids·

Dementsprechend ist ein Druckfühler 15 vorgesehen, der ein kontinuierliches Drucksignal erzeugt, das über die Leitung 16 zum Umformer 17 geleitet wird, der das pneumatische oder mechanische Drucksignal in ein elektrisches Signal verwandelt, das ein Spannungs- oder ein Stromsignal sein kann· Der Umformer 17 überträgt ein Parameterausgangssignal über die Leitung 18 zu einer Signalaufbereitungsvorrichtung 25, die in dieser Ausführungsform einen digitalen oder analogen Computer umfaßt· Der Computer 25 ist derart programmiert, daß das abgewandelte Parametersignal ständig in ein über die Leitung 26 abgegebenes Zustandsausgangssignal umgeformt wird, das funktionell die Oktanzahl des über die Leitung 19 in das System eingeführten Benzins wiedergibt und damit in Korrelation steht. Das Zustandsausgangssignal wird einer Oktanzahlanzeige 27 zugeleitet, die einen Registrierstreifen, einen Drucker oder irgendein anderes Anzeigemittel enthalten kann· Zusätzlich kann die Oktanzahlanzeige 27 ein Steuersystem enthalten, durch das das Zustandsausgangssignal zu nicht gezeigten Mitteln zur Steuerung der Oktanzahl des über die Leitung 19 zugeführten Probenetromes geleitet wird«

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Wie bereits erwähnt, wird die Vorrichtung nach der Erfindung üblicherweise im Freien aufgestellt. Demzufolge ist sie Verbrennungseffekten ausgesetzt, die durch Änderungen der atmosphärischen Bedingungen hervorgerufen wurden. Um diese atmosphärischen Bedingungen zu kompensieren, ist innerhalb des Behälters 1 ein Temperaturfühler 28 angeordnet, der alle Temperaturschwankungen in der Zone 3 ermittelt. Der Temperaturfühler 28 kann auch in der Brennkammer 2 angeordnet sein, um die Schwankungen der Induktionsabschnittstemperatur zu ermitteln. Vom Temperaturfühler 28 gelangt ein Temperaturausgangssignal über Leitungen 29 zum Computer 25. Aufgrund der Programmierung des Computers 25 wird eine Temperaturkorrektur an dem Zustandsausgangssignal vorgenommen, das über die Leitung 26 abgegeben wird. Dadurch wird die durch die Vorrichtung 2? angezeigte Oktanzahl laufend im Hinblick auf Fehler kompensiert, die aus Temperatur Schwankungen in dem Induktion*; abschnitt der Brennkammer 2 oder in der Zone 3 aufgrund von Änderungen der atmosphärischen Bedingungen resultieren.

Zusätzlich weist die Vorrichtung Mittel zur Nacheichung oder Nullstellung des Systems aufgrund von Abweichungen auf, die durch andere, nicht für die Zusammensetzung des getesteten Fluids kennzeichnende. Verbrennungseffekte entstehen. So sind Mittel zur periodischen Einleitung einer Bezugs- oder Vergleichsflüssigkeit in die Brennkammer 2 vorgesehen, durch die das System nachgeeicht werden kann.

So wird nach Fig. 1 eine Bezugsflüssigkeit über die Leitung 20 in das System eingeführt. Ein Zeitschalter 23 gibt dazu ein Zeitsignal über die Leitung 22 an das Ventil 21, wodurch die Leitung 19 vom System abgeschaltet wird und die Bezugsflüssigkeit über die Leitung 20 in das System eingeführt wird. Während dieser Trennperiode gelangt Bezugsflüssigkeit über die Leitung 7

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die Leitung 6 und mischt sich mit der über die Leitung 8 zugeführten Luft·

Die Bezugsflüssigkeit erzeugt eine stabilisierte kalte Flamme, die z.B. für die Oktanzahl der Bezugsflüssigkeit oder für eine andere Eigenschaft kennzeichnend ist. Die Temperaturfühler 4 und 5 übermitteln die abgefühlten Temperatursignale zum Regler 12, worauf ein Steuersignal zum Druckregler 14 gegeben wird. Der Druckfühler 15 leitet ein Drucksignal über die Leitung 16 zum Umformer 17, der darauf ein abgewandeltes Parametersignal 18 zu dem Computer 25 sendet. Aufgrund des Computerprogramms wird das Signal aus der Leitung 18 mit einem J^ in dem Programm enthaltenen Bezugssignal verglichen. Das Bezugssignal ist kennzeichnend für die bekannte tatsächliche Oktanzahl der Bezugsflüssigkeit. Der Zeitschalter 23 sendet über die Leitung 24 während der Perioden, in der die Bezugsflüssigkeit in der Brennkammer 2 verbrannt wird, ein Signal in den Computer 25·

Darauf bewirkt das Computerprogramm eine kompensierende Einstellung des Zustandsausgangsignals in der Leitung 26, um alle Abweichungen des abgewandelten Parametersignals 18 von dem bekannten Signal, das die tatsächliche Zusammensetzung oder die Oktanzahl der Vergleichsflüssigkeit angibt, zu eliminieren. Wenn die Trenn- φ Periode beendet ist, sendet der Zeitschalter 23 ein Signal über die Leitung 22 zum Ventil 21, um die Zufuhr von Bezugsflüssigkeit über die Leitung 20 vom System abzuschalten und die Zufuhr des Probenstromes aus der Leitung 19 fortzusetzen. In diesem Punkt wird der Computer 25 durch ein über die Leitung 24 laufendes Zeitsignal informiert, daß die Bezugsflüssigkeit vom System abgeschaltet ist und daß wieder der Probenstrom zugeführt wird· Das Computerprogramm bewahrt in diesem Augenblick alle Bezugsflüssigkeitskorrekturen, die in dem System gemacht wurden. Demzufolge gibt das über die Leitung 26 zum

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Oktanzahl-Anzeiger 27 laufende Signal die Kompensation oder Nacheichung des Systems aufgrund der Bezugsflüssigkeit wieder.

Dadurch wird die angezeigte Oktanzahl des Probenstromes in Bezug auf Temperaturbedingungen und anderen Verbrennungsbedingungen korrigiert, die in Wirklichkeit nicht die Zusammensetzung oder die Oktanzahl wiedergeben. Damit wird das angezeigte Zustandeausgangssignal der Leitung 26 für die Oktanzahl oder eine andere Eigenschaft des in der Brennkammer 2 oxydierten Probenstromes kennzeichnend und dazu in eine direkte Korrelation gesetzt·

In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der der Computer 25 der Fig. 1 und das darin enthaltene Programm durch Signalaufbereitungsmittel ersetzt sind, die ein Netzwerk von vorzugsweise analogen Elementen aufweisen, obwohl auch digitale Elemente verwendet werden können.

Die anhand der Fig. 1 beschriebenen Grundelemente der Analysiervorrichtung sind ebenfalls in Fig. 2 dargestellt. Das Ausgangssignal des Umformers 17 wird über die Leitung 18 jedoch in ein Signalaufbereitungs-Netzwerk 30 von bekannter Bauart übertragen. Das abgewandelte Parametersignal der Leitung 18 vom Umformer 17 steht in fester Beziehung zu dem durch den Druckfühler in der Brennkammer 2 gemessenen Druck und dem daraus resultierenden elektrischen Ausgangssignal, das durch das Netzwerk 30 gelangt. Dieses Netzwerk 30 vervielfältigt, addiert oder subtrahiert das empfangene Umformersignal der Leitung 18, um ein Ausgangssignal zu gewinnen, das zu der Oktanzahl oder einer anderen Größe der zu bestimmenden Zusammensetzung in Korrelation steht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform addiert oder subtrahiert das Netzwerk 30 das Signal der Leitung 18. Das daraus resultierende Druckausgangssignal wird vom Netzwerk 30 über die Leitung 31 in ein Addierwerk 32 übertragen·

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Ferner wird bei der Ausfuhrungaform nach der Fig. 2 das Temperatursignal, das in der Zone 3 durch den Fühler 28 ermittelt wird, über die Leitung 29 in das Netzwerk 33 geleitet, das ebenfalls von bekannter Bauart ist. Das Temperatursignal gibt eine feste Beziehung zwischen der Temperatur in der Zone 3 und der Oktanzahl oder einer anderen Größe des Probenstromes in de.r Brennkammer 2 wieder. Das Netzwerk 33 addiert oder subtrahiert daher das Signal 29» um Temperaturabweichungen von einer vorgegebenen Temperatur zu kompensieren. Andererseits kann die Temperatur des Induktionsabschnittes durch den Fühler 28 gemessen werden,und das Netzwerk 33 kann alle. Schwankungen in Bezug auf die Grundtemperatur im Induktionsabschnitt kompensieren. Das resultierende Signal wird vom Netzwerk 33 mit einer Kompensation der Temperaturabweichungen über die Leitung 34- in das Addierwerk 32 geleitet.

Das Addierwerk 32 empfängt das Temperatursignal der Leitung 34- und das Druckausgangssignal der Leitung 31 und addiert die beiden Signale algebraisch. Das Ergebnis dieser Addition ist ein abgewandeltes Parametersignal, das das im Hinblick auf Temperaturschwankungen kompensierte Ausgangssignal ist. Wenn somit der Probenstrom der Leitung 19 in der Brennkammer 2 oxydiert wird, sendet das Addierwerk 32 ein Zustandsausgangssignal 26 zu einer Oktanzahl-Anzeigevorrichtung,27t äie die scheinbare Oktanzahl des Probenstromes angibt.

Wenn die Bezugsflüssigkeit in der Kammer 2 oxydiert wird, sendet das Addierwerk 32 ein Zustandsausgangs signal über die Leitung 35 zu einem Fehlerveretärker 36 und ein Zustandsausgangssignal 26 zu der Anzeigevorrichtung 27. Der Fehlerverstärker 36 ist von bekannter Bauart und enthält eine manuelle Einstellvorrichtung, die die wirkliehe_fbekannte Oktanzahl der Bezugsflüssigkeit wiedergibt· Der Fehlerverstärker 36 erhält

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ein Zeitsignal vom Schalter 23 über die Leitung 24·, wenn die Bezugsflüssigkeit in der Brennkammer 2 oxydiert wird. Zu diesem Zeitpunkt vergleicht der Fehlervesstärker 36 das Zustandsausgangssignal 35 mit dem bekannten Einstellwert, der mit der tatsächlichen Eigenschaft, z.B. der Oktanzahl der Bezugsflüssigkeit, in Korrelation steht· Daraufhin erzeugt der Fehlerverstärker 36 ein Ausgangssignal, das eine Funktion des Unterschiedes zwischen dem Einstellwert und dem tatsächlichen Summen- oder Zustandsausgangssignal in der Leitung 35 darstellt.

Der Fehlerverstärker 36 überträgt sein Ausgangssignal über die Leitung 37 zu einem Hilfsverstärker 38 bekannter Bauart. Der Hilfsverstärker 38 bringt dieses Signal mit dem Einstellwert des Fehlerverstärkers 36 ins Gleichgewicht. Infolgedessen erzeugt der Hilfsver- · stärker 38 ein AusgangssignAl, das dem von ihm empfangenen Fehlerverstärker-Ausgangssignal proportional ist. Der Hilfsverstärker 38 ist ein Leistungsverstärker und leitet über die Leitung 39 Signale an einen innerhalb des Netzwerks 30 angeordneten Stellmotor. Dieser Stellmotor stellt mechanisch das Netzwerk nach, das ein endgültiges Summen— oder Zustandsausgangssignal erzeugt, das dem manuell eingestellten Wert des Fehlerverstärkers 36 entspricht· Auf diese Weise wird das System auf den bekannten Oktanwert oder eine andere Eigenschaft der Bezugsflüssigkeit korrigiert.

Das resultierende Druckausgangssignal, das auf die Leitung 31 übertragen wird, steht damit in direkter Korrelation zu der Oktanzahl oder einer anderen gemessenen Eigenschaft der Bezugsflüssigkeit, die in der Brennkammer 2 oxydiert wird. Das Addierwerk 32 erzeugt daraufhin ein Ausgangssignal 35, das zu dem Fehlerverstärker 33 geleitet wird und darin mit dem manuell eingestellten Wert ins Gleichgewicht gebracht wird. In diesem Augenblick

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zeigt das über die Leitung 26 zur Oktanzahlanzeige 27 übertragene modifizierte Zustandsausgangssignal die wahre Oktanzahl der Bezugsflüssigkeit an, die im Hinblick auf Verbrennungseffekte kompensiert ist, die nicht für die geprüfte Eigenschaft des Probenstromes kennzeichnend ist.

Wenn die Periode der Trennung vorüber ist, schaltet der Zeitschalter 23 das Ventil 21 mittels eines über die Leitung 22 laufenden Signales um, worauf die Bezugsflüssigkeit vom System abgeschaltet wird und wieder der Probenstrom aus der Leitung 19 in die Brennkammer 2 eingeführt wird. In diesem Augenblick sendet der Zeitschalter 23 ein Signal über die Leitung 24 zum Fehlerverstärker 36, der dafür sorgt, daß die Kompensationseinstellungen aufrechterhalten werden, die durch das Netzwerk 30 zum Ausgleich des Bezugsflüssigkeits-Ausgangssignales 35 mit Hilfe des manuell eingestellten Wertes vorgenommen wurden. Dadurch wird während der Oxydation des Probenstromes aus der Leitung 19 das abgewandelte, zur Anzeigevorrichtung 27 geleitete Zustandsausgangssignal für die gemessene Zusammensetzungseigenschaft, z.B. für die Oktanzahl, kennzeichnend und ist im Hinblick auf Temperaturschwankungen oder andere Schwankungen des Vergleichsflüssigkeitssignals gegenüber dem bekannten Bezugsgrundwert kompensiert.

Der Unterschied zwischen den Begriffen "Signalaufbereitungsmittel" und "Signalaufbereitungsnetzwerk¹¹ wurde im Hinblick auf die Pig. 1 und 2 vorgenommen. Die Signalaufbereitungsmittel der Fig. 1 enthalten einen Computer mit einem Kompensationsprogramm zur Erzeugung von kompensierten Zustandsausgangssignalen. Die Signalaufbereitungsmittel nach Fig. 2 enthalten ein Netzwerk von Bauelementen 30 - 39, das faktisch ein Rechensystem für die Kompensationseinstellungen ist. Die Signalaufbe-

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reitungsnetze 30 und 33 (s. Fig. 2) sind individuelle Baugruppen, die in den Signalaufbereitungsmitteln dieser Ausführungsform enthalten sind·

Die Zusammensetzungseigenschaften, die durch die vorliegende Erfindung bestimmt werden, typischerweise die Oktanzahl, werden durch ein Zustandsausgangssignal angezeigt, das eine Funktion der zu bestimmenden Eigenschaft darstellt und damit in Korrelation steht. Der Fachmann wird erkennen, daß das über die Leitungen 26 und 35 abgegebene Zustandsausgangssignal in Wirklichkeit ein abgewandeltes Parameterausgangssignal ist, das bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ein Drucksignal ist· Wenn daher Bezugsflüssigkeit in die Brennkammer 2 eingeführt wird und das Zustandsausgangssignal mit dem Bezugswertsignal im Fehlerverstärker 36 verglichen wird, so wird das Bezugswertsignal in Wirklichkeit mit dem abgewandelten Parametersignal verglichen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich somit, daß eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Verfahrens und der dazugehörigen Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung eines brennbaren Fluids die folgenden Merkmale aufweist:

a) Einführung eines Probenstromes eines Fluids und eines sauerstoffhaltigen Gasstromes in das eine Ende einer Brennzone, die von einer Zone erhöhter Temperatur umgeben ist, wodurch in der Brennzone ein Induktionsabschnitt auf erhöhter Temperatur gehalten wird,

b) partielle Oxydation des Probenstromes in der Brennzone unter Aufrechterhaltung einer kalten Flamme mit einer verhältnismäßig schmalen, wohldefinierten Flammenfront im Abstand vom einen Ende der Brennzone,

c) Abfühlen der Lage der Flammenfront in Bezug auf das

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genannte Ende der Brennzone und Ableitung eines Steuersignals,

d) Verwendung des Steuersignals, um einen Verbrennungsparameter (Verbrennungszonendruck, Temperatur im Induktionsabschnitt, Durchsatz des Erobenstromes oder Durchsatz des sauerstoffhaltigen Gasstromes) nachzustellen, um die Flammenfront in Bezug auf das genannte Brennzonenende unabhängig von Schwankungers der Zusammensetzung des Probenstromes ortsfest zu halten,

β) Abfühlen des nachgestellten Parameters und Zufuhr eines ersten Parametersignals in Signalaufbereitungsmittel,

f) Aufbereitung des ersten Parametersignals in den Signalaufbereitungsmitteln und Erzeugung eines ersten Zustandsausgangssignals, das funktionell die scheinbare Zusammensetzungseigenschaft des Probenstroms wiedergibt und funktionell auf Änderungen der Zusammensetzungseigenschaften anspricht,

g) periodisches Trennen des Probenstromes von der Brennzone und gleichzeitiges Einleiten eines Bezugsflüssigkeitsstromes mit bekannten Zusammensetzungseigenschaften zur Aufrechterhaltung der ortsfesten Flammenfront ,

h) Abfühlen des nachgestellten Parameters während der Trennperiode und Einleiten eines zweiten Parametersignals in die ßignalaufbereitungsmittel, wobei das zweite Parametersignal funktionell die scheinbare Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit wiedergibt,

i) Vergleich des zweiten Parametersignals mit einem Parametervergleichswert ,der funktionell dem wirklichen bekannten Zusammensetzungswert der Bezugsflüssigkeit entspricht,

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j) Nachstellen der Signalaufbereitungsmittel, um ein zweites Zustandsausgangssignal zu schaffen, das hinsichtlich des Unterschiedes zwischen dem zweiten . Parametersignal und dem Bezugswert-Parametersignal kompensiert ist, und dadurch funktionell die tatsächliche^ bekannte Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit wiedergibt,

k) periodisches Trennen des Bezugsflussigkeitsstromes von der Brennzone unter Aufrechterhaltung der Einstellung der Signalaufbereitungsmittel,

1) gleichzeitiges Einleiten des Fluidprobenstromes in die Brennzone zur Aufrechterhaltung der Flammenfront, wodurch die Signalaufbereitungsmittel ein drittes Parametersignal erhalten und davon ein drittes Zustandsausgangssignal ableiten, das hinsichtlich der Abweichung des zweiten Parametersignals vom Vergleichswert-Parametersignal kompensiert ist, wodurch das dritte Zustandsausgangssignal funktionell die scheinbare Zusammensetzung des Probenstromes im Hinblick auf Bezugsflüssigkeits-Abweichungen kompensiert wiedergibt,

m) Abfühlen der Temperatur im Induktionsabschnitt oder in der Zone erhöhter Temperatur und Zuleiten eines abgefühlten Temperatursignals in die Signalaufbereitungsmittel und

n) Nachstellen der Signalaufbereitungsmittel entsprechend dem abgefühlten Temperatursignal, wodurch die Signalaufbereitungsmittel ein abgewandeltes drittes Zustandesignal erzeugen, das hinsichtlich Verbrennungseffekten kompensiert ist, die nicht für die Zusammensetzung kennzeichnend sind, wodurch das abgewandelte dritte Zustandsausgangssignal funktionell die wirkliche Zueammansetzungseigenschaft des Probenstromes wiedergibt.

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Claims

" 31 " 21 2A074 Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung von Zusammensetzungseigenschaften eines brennbaren Fluids mit · ·

a) Einführung eines Probenstromes des Fluids und eines säuerstoffhaltigen Gasstromes in das eine Ende einer Brennzone, einschließlich eines Induktionsabschnittes, der auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird,

b) partiellerOxydation des Probenstromes in der Brennzone und Erzeugung einer kalten Flamme, die durch eine relativ schmale, wohldefinierte Flammenfront im Abstand vom genannten Ende der Brennkammer gekennzeichnet ist,

d) Verwendung des Steuersignals, um einen Verbrennungsparameter (Verbrennungszonendruck, Temperatur im Induktionsabschnitt, Durchsatz des Probenstromes oder Durchsatz des sauerstoffhaltigen Gasstromes) zu verstellen, um die Flammenfront in Bezug auf das genannte Brennkammerende unabhängig von Schwankungen der Zusammensetzung des Probenstromes ortsfest zu halten,

gekennzeichnet durch

Kompensieren des Ausgangssignals aufgrund der Messung eines Störeffektes zur Ausschaltung des Einflusses dieses Störeffektes auf das Ausgangssignal.

2· Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) Abfühlen des eingestellten Parameters und Übermittlung eines ersten Parametersignals zu Signalaufbereitungsmitteln,

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b) Verarbeitung des ersten Parametersignals in den Signalaufbereitungsmitteln und Erzeugung eines ersten Zustands-Ausgangssignals, das funktionell die scheinbare Zusammensetzung des Probenstromes wiedergibt und funktionell auf Änderungen in der Zusammensetzung des Probenstromes anspricht,

c) periodisches Trennen des Probenstromes von der Brennzone und gleichzeitiges Einleiten eines Bezugsflüssigkeit sstromes von bekannter Zusammensetzung in die Brennzone, um die Erzeugung der ortsfest gehaltenen Plammenfront aufrechtzuerhalten,

d) Abfühlen des nachgestellten Parameters während der Trennperiode und Übermittlung eines zweiten Parametersignals zu den Signalaufbereitungsmitteln, wobei das zweite Parametersignal die scheinbare Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit wiedergibt,

e) Vergleich des zweiten Parametersignals mit dem Bezugswert des Parametersignals, das funktionell dem tatsächlichen bekannten Wert der Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit entspricht,

f) Einstellung der Signalaufbereitungsmittel in solcher Weise, daß ein zweites, kompensiertes Zustandsausgangssignal erzeugt wird, das die Ausschaltung des Unterschiedes zwischen dem zweiten Parametersignal und dem Bezugswertparametersignal berücksichtigt und dadurch funktionell den tatsächlichen bekannten Wert der Zu- · sammensetzung der Bezugsflüssigkeit wiedergibt,

g) periodisches Trennen des Bezugsflüssigkeitsstromes von der Brennkammer bei Aufrechterhaltung des Zustande s der Signalaufbereitungsmittel und

h) gleichzeitiges Einführen des Probenstromes in die Brennzone, um die Flammenfront aufrechtzuerhalten, wodurch die Signalaufbereitungsmittel ein drittes

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Parametersignal empfangen und davon ein drittes Zu-8tand8-Ausgangssignal ableiten, das in Bezug auf Verbrennungseffekte kompensiert ist, die für die Zusammensetzungseigenschaften nicht kennzeichnend sind, wodurch das dritte Zustandsausgangssignal die Wirkliche Zusammensetzung des Probenstitoees wiedergibt.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperatur entweder die Temperatur im Induktionsabschnitt oder die Temperatur in der Zone erhöhter Temperatur abgefühlt wird und ein die abgefühlte Temperatur wiedergebendes Signal in die Signalaufbereitungsmittel geleitet wird, wobei diese Signalaufbereitungsmittel ein abgewandeltes drittes Zustandsausgangssignal erzeugen, das entsprechend einer der genannten Temperaturen kompensiert ist, so daß das abgewandelte dritte Zustandsausgangssignal funktionell die wirkliche Zusammensetzungseigenschaft dee Probenstromes wiedergibt·

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Zone erhöhter Temperatur ständig abgefühlt wird, die abgefühlten Temperatureignale ständig den Signalaufbereitungsmitteln zugeleitet werden und diese Mittel ständig entsprechend dem abgefühlten Temperatursignal nachgestellt werden, wodurch das erste, zweite und dritte Zustandsausgangs-. signal ständig entsprechend den Temperaturschwankungen in der Zone erhöhter Temperatur kompensiert werden·

5· Verfahren nach Anspruch 1 mit Verwendung einer die Brennzone umgebenden Zone von erhöhter Temperatur, gekennzeichnet durch

a) Abfühlen des eingestellten Parameters und Ableitung · eines Parametersignals, das auf Änderungen der Zueaaaeneetzung anspricht,

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b) Abfühlen der Temperatur, und zwar der Temperatur des Induktionsabschnittes oder der Temperatur in der Zone erhöhter Temperatur, und Ableitung eines Temperatursignals, das Schwankungen der abgefühlten Temperatur wiedergibt,

c) Weiterleitung des Parametersignals und des Temperatursignals zu Signalaufbereitungsmitteln und Erzeugung eines Zustandsausgangssignals, das die Zusammensetzung des Probenstromes wiedergibt, wodurch das Zustandsausgangssignal in Bezug auf Schwankungen der abgefühlten Temperatur kompensiert die Zusammensetzung wiedergibt.

6· Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das brennbare Fluid und die Bezugsflüssigkeit zumindest Kohlenwasserstoffe im Benzinsiedebereich enthalten.

7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennzonendruck als.Verbrennungsparamet er gewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1-3» dadurch gekennzeichnet , daß die zu prüfende Eigenschaft der Zusammensetzung des Probenstromes die Oktanzahl ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Brennzone im Bereich von 1-11 atm, vorzugsweise im Bereich von 1,1 - 4,4 atm, liegt·

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Induktionsabsehnitt im Bereich von 288 - 454° C liegt.

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11· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) eine Brennkammer (2) mit einem Induktionsabschnitt,

b) Mittel zur Erzeugung einer kalten Flamme innerhalb der Brennkammer, die durch eine verhältnismäßig

schmale, wohldefinierte Flammenfront gekennzeichnet ^r

ist, wobei als Brennstoff das zu analysierende chemische Fluid dient und die Mittel zur Erzeugung der Flamme Mittel (6 - 8, 19) zur Einführung des Fluidstromes und eines Oxydationsmittelstromes in die Brennkammer (2) aufweisen,

c) Mittel (4, 5) zum Abfühlen der räumlichen Lage der φ Flammenfront in der Brennkammer (2),

d) mit den Abfühlmitteln (4, 5) für die Flammenfront gekuppelte Steuermittel (12 - 14) zur Einstellung eines Verbrennungsparameters (Verbrennungsdruck, Temperatur des Induktionsabschnittes, Durchsatz des Fluidstromes oder Durchsatz des Oxydationsmittelstromes), um die Flammenfront in Bezug auf die Brennkammer ortsfest zu halten,

e) Mittel (15) zum Abfühlen des eingestellten Parameters und Ableitung eines Parameterausgangssignals, das

die Zusammensetzung des Fluidstromes wiedergibt· ^k

12. Vorrichtung nach Anspruch 1⁴J, gekennzeichnet durch

a) Signalaufbereitungsmittel (25; 30 - 39), die das Parameterausgangssignal empfangen,

b) Zustandssignal-Erzeugungsmittel (30) innerhalb der Signalaufbereitungsmittel (30 - 39) zur Erzeugung eines Zustandsausgangssignals, das die Zusammensetzung wiedergibt,

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c) Mittel (21, 23) zur periodischen Trennung des Fluidstromes von den flammenerzeugenden Mitteln (2) und zur gleichzeitigen Einführung eines Bezugsflüssigkeitsstromes bekannter Zusammensetzung in die flammenerzeugenden Mittel in ausreichender Weise, um die Erzeugung der ortsfest gehaltenen Flammenfront fortzusetzen, .

d) Mittel (24), durch die zu den Signalaufbereitungsmitteln (25, 36) ein Zeitsignal geleitet wird, das den Zufluß des Bezugsflüssigkeitsstromes zu den flammenerzeugenden Mitteln (2) anzeigt,

e) Vergleichsmittel (36) in den Signalaufbereitungsmitteln, die auf das Zeitsignal ansprechen und das Zustandsausgangs signal, das aufgrund der Bezugsflüssigkeit-Flammenfront erzeugt wurde, mit einem Bezugswertsignal vergleichen, das dem wirklichen bekannten Wert der Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit entspricht, und daraus ein Vergleichswertsignal ableiten,

f) Einstellmittel in den Signälaufbereitungsmitteln, die auf das Vergleichswertsignal ansprechen und die Zustandssignal-Erzeugungsmittel (30) einstellen, um die Abweichung zwischen dem Zustandsausgangssignal der Bezugsflüssigkeit-Flammenfront und dem Bezugswertsignal zu kompensieren und

g) Mittel (23, 36) zur Aufrechterhaltung der Einstellung des Zustandßsignal-Erzeugungsmittels, wenn die Trennperiode beendet wird und anstelle der Bezugsflüssigkeit wieder der Fluidstrom den flammenerzeugenden Mitteln zugeführt wird, wobei das Zustandsausgangssignal, das durch die Flammenfront des Fluidstromes erzeugt wird, im Hinblick auf Verbrennungseffekte kompensiert ist, die nicht für die Zusammensetzung kennzeichnend sind, so daß das Zustandsausgangssignal die wirkliche Zusammensetzung des brennbaren chemischen fluids wie dergibt und in Korrelation dazu steht·

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13· Vorrichtung nach Anspruch 11 mit Mitteln zur Erzeugung einer die Brennzone umgebenden Zone mit einer Induktionsszone erhöhter Temperatur, gekennzeichnet durch

a) Mittel (28) zum Abfühlen der Temperatur, und zwar der . Temperatur des Induktionsabschnittes oder der Temperatur in der Zone erhöhter Temperatur, und Ableitung eines Temperatursignals, das Schwankungen der abgefühlten Temperatur wiedergibt,

b) Signalaufbereitungsmittel (25, 30 - 39) zum Empfang des ParameterSignals und des Temperatursignals und zur Ableitung eines Zustandsausgangssignals, das funktionell die Zusammensetzung des brennbaren ohemischen Fluids wiedergibt und in Korrelation dazu steht, so daß das Zustandsausgangssignal die wirkliche Zusammensetzung in Bezug auf Schwankungen der abgefühlten Temperatur kompensiert wiedergibt·

14·· Vorrichtung nach Anspruch 11 mit Mitteln zur Erzeugung einer die Brennzone umgebenden Zone und einer Induktionszone erhöhter Temperatur, gekennzeichnet durch

a) Mittel (23» 36) zur Aufrechterhaltung der Einstellung des Zustandssignal-Erzeugungsmittels, wenn die Trenn-Periode beendet wird und anstelle der Bezugsflüssigkeit wieder der Fluidstrom den flammenerzeugenden Mitteln zugeführt wird, wobei das Zustandsausgangssignal, das durch die Flammenfront des Eluidstromes erzeugt wird, hinsichtlich Abweichungen zwischen dem Zustandsausgangesignal aufgrund der Bezugsflüssigkeitsmessung und dem VergleichswertSignal kompensiert ist,

b) Mittel (28) zum Abfühlen der Temperatur, und zwar der Temperatur des Induktionsabschnittes oder der Temperatur in der Zone erhöhter Temperatur, und Ableitung eines Temperatureignale, das Schwankungen der abgefühlten Temperatur wiedergibt·

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c) Mittel (29) zur Übertragung des abgefühlten Temperatursignals zu den Signalaufbereitungsmitteln (25, 33) und

d) Mittel (33) innerhalb der Signalaufbereitungsmittel (30 - 39) zur Änderung des durch die Flammenfront des Probenstromes erzeugten Zustandsausgangssignals im Hinblick auf Schwankungen der abgefühlten Temperatur, wodurch das Zustandsausgangssignal im Hinblick auf Verbrennungseffekte kompensiert wird, die nicht für die Zusammensetzungseigenschaft kennzeichnend sind, so daß ein Zustandsausgangssignal geschaffen wird, das funktionell die Zusammensetzungseigenschaft des brennbaren chemischen Fluids wiedergibt und in Korrelation dazu steht·

15· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungsmittel einen Computer (25) enthalten·

16· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 - 15$ dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler zum Abfühlen der Flammenfrontlage ein Paar im Abstand voneinander angeordnete Temperaturfühler (4, 5) sind·

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