DE2917659C2

DE2917659C2 -

Info

Publication number: DE2917659C2
Application number: DE2917659A
Authority: DE
Inventors: Giunio Guido Dr.-Ing. Mailand/Milano It Santi
Original assignee: Ssos Sub Sea Oil Services SpA Mailand/milano It
Current assignee: Ssos Sub Sea Oil Services SpA Mailand/milano It
Priority date: 1978-08-04
Filing date: 1979-05-02
Publication date: 1988-09-15
Also published as: GB2027198A; DE2917659A1; NL191190C; CA1137631A; GB2027198B; NL191190B; NL7903320A; NO791305L; US4280183A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasanalysator zur Messung der prozentualen Zusammensetzung eines aus drei Bestandteilen, nämlich aus Kohlendioxyd, Sauerstoff und Wasserdampf bestehenden Gasgemisches, mit einer vom Gasgemisch durchströmten Meßzelle, innerhalb der ein Sender und ein Empfänger für ein Ultraschallsignal in einem bekannten Abstand zueinander angeordnet sind, mit einer Meßstelle zur Messung der Temperatur (T) des Gasgemisches in der Meßzelle und mit einer Auswerteeinheit, die durch Vergleich der gesendeten und empfangenen Ultraschallsignale mittels eines Phasenkomparators ein Ausgangssignal für die prozentuale Zusammensetzung der Anteile des Gasgemisches liefert.

Ein solcher Gasanalysator ist insbesondere zur Brennstoffzuführung zu einer Kraftmaschine für ausschließlichen Untersee-Betrieb bestimmt.

Der Erfindungsgedanke wurde aus dem Bedürfnis angeregt, die Prozentsätze der beiden Gasbestandanteile Kohlendioxid und Sauerstoff in einem ternären, mit Wasserdampf gesättigten Gasgemisch auch dann zu erfassen, wenn der Druck und die Temperatur innerhalb weiter Bereiche schwanken können und insbesondere, wenn die Werte der Prozentsätze in einer im Vergleich zu den vorkommenden Änderungen dieser Prozentsätze möglichst geringen Zeitspanne erkennbar sein sollen.

Der zu diesem Bedürfnis führende Spezialfall bestand darin, die Prozentsätze von Kohlendioxid und Sauerstoff im Ansauggemisch einer für ausschließlichen Untersee-Betrieb bestimmten Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung zu messen. Die Kenntnis dieser Prozentsätze ist nämlich unentbehrlich, damit der in den Kreislauf der Brennkraftmaschine einzuführende Sauerstoffstrom derart geregelt werden kann, daß der Prozentsatz des Sauerstoffes im Gasgemisch einen optimalen Wert annimmt.

In der IRE Transactions on industrial electronics, Mai 1958, S. 64-67 wird ein gattungsgemäßer Gasanalysator beschrieben, bei dem das zu messende Gasgemisch durch eine Meßzelle strömt, innerhalb der ein Sender und ein Empfänger für Ultraschall angeordnet sind. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird das ausgesendete Ultraschallsignal mit dem empfangenen verglichen und daraus mit Hilfe eines Oszillografen die Gaszusammensetzung bestimmt.

Allerdings ist es bei einem Gasanalysator dieser Art für die Messung eines Gasgemisches, welches über zwei Bestandteile hinaus zusätzlich auch noch Wasserdampf enthält, erforderlich, den Anteil dieser dritten Komponente konstant zu halten, um eine Verfälschung des Meßergebnisses zu vermeiden. Zu diesem Zwecke wird beim Stand der Technik die Temperatur des Gasgemisches mit Hilfe eines die Meßzelle umgebende temperierten Wasserbades konstant gehalten, wodurch auch der Wasserdampfgehalt des Gasgemisches gleich bleibt. Dabei wird die Temperatur des Gasgemisches in der Meßzelle mit Hilfe einer Meßstelle überwacht. Auch sind aus dem Stand der Technik weitere Methoden zur Ausschaltung des Einflusses der dritten Komponente auf das Meßergebnis des Gasanalysators, wie z. B. die der selektiven Absorption oder die der Gaschromatographie, bekannt. Diese Methoden bedeuten jedoch alle einen sehr hohen verfahrenstechnischen bzw. zeitlichen Aufwand, was sich nachteilig auf die Verwendbarkeit dieser Gasanalysatoren auswirkt. Auch kann ein Gasanalysator dieser bekannten Art nur in einem sehr eng begrenzten Temperaturbereich bzw. Druckbereich eingesetzt werden.

Auch bei einem anderen, aus der US-Z, Analytical Chemistry 26 (1954), Nr. 3, S. 448-491 bekannten Gasanalysator ist vorgesehen, zur Vermeidung von Meßfehlern infolge des Wasserdampfgehaltes dessen Gehalt durch Verwendung eines Wärmetauschers bzw. einer geregelten Kühlung konstant zu halten, wodurch sich aber ebenfalls die oben beschriebenen Nachteile ergeben.

In der DE-OS 18 12 310 ist ein weiterer Gasanalysator beschrieben, der als Meßgröße für die Gaszusammensetzung die Laufzeitänderung eines Ultraschallimpulses verwendet. Diese Anordnung läßt eine Messung von Gasgemischen mit drei Bestandteilen dadurch zu, daß auch die Schallabsorption als weitere Meßgröße erfaßt wird. Hierdurch wird aber ein zusätzlicher meßtechnischer Aufwand erforderlich. Darüber hinaus muß auch bei dieser bekannten Anordnung die Temperatur des Gasgemisches in der Meßzelle konstant gehalten werden.

Daher liegt dieser Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Gasanalysator der eingangs genannten Art die Messung der prozentualen Zusammensetzung auch eines aus drei Komponenten bestehen Gasgemisches auf einfache Weise zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auswerteeinheit einen Rechner enthält, der aus dem Ausgangssignal des Phasenkomparators und dem Ausgangssignal der Meßstelle einen Meßwert bildet, und daß die Auswerteeinheit einen Speicher aufweist, in dem, jeweils bestimmten Temperturwerten zugeordnet, eine für eine Reihe von verschiedenen prozentualen Anteilen von Sauerstoff vorausberechnete Wertetabelle abgespeichert ist, wobei aus dem dem Meßwert entsprechenden abgespeicherten Wert der Wertetabelle der zugehörige Sauerstoffanteil auslesbar ist, aus dem mittels des der der Temperatur zugeordneten Wasserdampfanteils der Kohlendioxydanteil in an sich bekannter Weise bestimmbar ist.

Zur Erläuterung der besonderen Vorteile der Erfindung wird zunächst von der in der Ultraschallphysik gültigen Grundgleichung

ausgegangen.

Dabei gelten folgende Bezeichnungen:

V = Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Gasgemisch [m · Sek.^-1], γ = Verhältnis c _p/c _v von der spezifischen Wärme bei konstantem Volumen des Gasgemisches, R = charakteristische Konstante des Gasgemisches [m² · Sek.^-2 · K^-1], T = absolute Temperatur des Gasgemisches [°K].

Für ein Gasgemisch, das aus den Komponenten 1-3 besteht, z. B. Kohlendioxyd (1), Sauerstoff (2) und Wasserdampf (3), gilt dann die Formel

γ R = γ₁R₁P₁ + q₂R₂P₂ + γ₃R₃P₃ = V ² /T

wobei sich die Indices auf die jeweiligen Komponenten beziehen.

Im erfindungsgemäßen Gasanalysator werden die Meßgrößen V und T jeweils für sich mit hoher Genauigkeit gemessen und im Rechner der Auswerteeinheit das Verhältnis V ² /T gebildet. Im Speicher liegen nun bestimmten Temperaturwerten zugeordnete, für eine diskrete Reihe von abgestuften prozentualen Werten des Sauerstoffgehaltes P₂ vorausberechnete Wert für die Größe γ R vor.

Da der Wasserdampfpartialdruck ausschließlich eine Funktion der Temperatur ist, läßt sich hieraus eindeutig P₃ bestimmen, und, da auch die Größen γ₃ und R₃ bekannt sind, ist der dritte Summand der obigen Gleichung somit insgesamt bekannt. Somit ist diese Gleichung auf ein binäres System mit den Komponenten 1 und 2 zurückgeführt und enthält als Unbekannte nur noch die Parameter P₁ und P₂. Andererseits gilt selbstberständlich, daß die Summe aller Gewichtsanteile = 100% ist, d. h. es gilt die weitere Gleichung P₁+P₂+P₃=100%, wobei P₃, wie oben erwähnt, bekannt ist. Dieses Gleichungssystem für P₁ und P₂ ist somit eindeutig lösbar.

Aus dem Vergleich des gemessenen Verhältnisses V ² /T mit den zum bestimmten Wert T zugehörigen vorausberechneten Werten im Speicher lassen sich nun die prozentualen Zusammensetzungen P₁, P₂ der einzelnen Gasbestandteile angeben.

Dadurch, daß über die Messung der Temperatur der Anteil des gesättigten Wasserdampfes bestimmt ist, beeinflußt dieser beim erfindungsgemäßen Meßverfahren nicht die Genauigkeit der Messung der übrigen Komponenten, so daß der beim Stand der Technik erforderliche hohe verfahrenstechnische und zeitliche Aufwand zur Kompensierung des Wasserdampfgehaltes nicht mehr erforderlich ist. Zudem läßt sich der erfindungsgemäße Gasanalysator bei jeder beliebigen Temperatur einsetzen, da der jeweilige Temperaturwert durch Messung bekannt ist.

Darüber hinaus arbeitet der erfindungsgemäße Gasanalysator bei jedem beliebigen Druck, da der Partialdruck des Wasserdampfes im Gemisch nur von der Temperatur, nicht aber vom Druck abhängig ist.

Die Genauigkeit der vom erfindungsgemäßen Gasanalysator lieferbaren Daten steht in engem und ausschließlichem Zusammenhang mit der Genauigkeit der gemessenen Temperatur und der gemessenen Schallausbreitungsgeschwindigkeit. Diese beiden Meßgrößen können mit Hilfe der nach dem modernen Stand der Technik verfügbaren Mittel in zuverlässiger und genauer Weise, insbesondere ohne wesentlichen Zeitverlust gemessen werden.

Zum Hervorheben der interessanten Leistungen des erfindungsgemäßen Gasanalysators sei insbesondere auf dessen nachstehende Vorteile hingewiesen:
der erfindungsgemäße Gasanalysator arbeitet bei jedem beliebigen Druck, wobei außerdem das Meßergebnis vom Druck selbst unabhängig ist,
arbeitet bei jeder beliebigen Temperatur, wenn nur der Wert der Temperatur selbst bekannt ist,
liefert eine extrem rasche und genaue Information über den zu bestimmenden Prozentsatz,
gibt mit der bloßen Information über den prozentualen Sauerstoffgehalt gleichzeitig durch Differenzbildung auch die zweite Information (über den prozentualen Gehalt an Kohlendioxyd), und
arbeitet störungsfrei auch bei nicht vollkommen reinen Gasen, wie dies bei Abgas einer Brennkraftmaschine der Fall ist.

Beim erfindungsgemäßen Gasanalysator ist die Meßeinrichtung zum Messen der Temperatur vorzugsweise ein Digital-Temperaturfühler.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes enthält die Meßeinrichtung zum Messen der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Gasgemisch einen Ultraschallgeber und einen Ultraschallempfänger. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Ultraschallgeber durch einen Generator zum Erzeugen eines elektrischen Wechselspannungssignals mit Ultraschallfrequenz und einen elektro-akustischen Wandler gebildet ist, wenn der Ultraschallempfänger durch einen akustisch-elektrischen Wandler vorzugsweise mit einem nachgeschalteten Verstärker gebildet ist und dem elektro-akustischen Wandler gegenüber einen konstanten Abstand aufweist, und wenn ein Phasenkomparator die Phase der vom Generator zum Erzeugen des elektrischen Wechselspannungssignals mit Ultraschallfrequenz gelieferten Signale mit der Phase der vom akustisch-elektrischen Wandler empfangenen Signale vergleicht.

Vorteilhafterweise ist das Rechenwerk zum Errechnen des Wertes des Verhältnisses V ² /T oder eines dazu proportionalen Wertes durch einen Mikroprozessor gebildet, dessen Eingabe-Daten durch das Ausgangssignal des Thermometers und das Ausgangssignal des Phasenkomparators dargestellt sind.

Anhand der beiliegenden Figur soll ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Gasanalysator näher beschrieben werden.

In der Zeichnung, die ein vereinfachtes Blockschaltbild darstellt, ist ein Digital-Temperaturfühler 1 vorgesehen, welcher dazu dient, die Temperatur T eines aus Kohlendioxyd und Sauerstoff bestehenden, mit Wasserdampf gesättigten Gasgemisches zu messen, das als Hauptgas zur Brennstoffzuführung zu einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Dieselmotor mit Abgasrückführung für ausschließlichen Untersee-Betrieb Verwendung findet. Die Strömungsrichtung des zu analysierenden Gasgemisches ist durch Pfeile angedeutet. Ein elektrischer Generator 2, der eine ultraschallfrequente Wechselspannung, beispielsweise mit 40 kHz, erzeugt, ist einerseits mit einem elektro-akustischen Wandler 3 und andererseits mit dem einen Eingang eines Phasenkomparators 4 verbunden. Die vom elektro-akustischen Wandler 3 ausgesandten Ultraschallwellen werden von einem akustisch-elektrischen Wandler 5 empfangen, der sie erneut in eine elektrische Wechselspannung umwandelt. Letztere wird dem Eingang eines Verstärkers 6 zugeführt, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Phasenkomparators 4 in Verbindung steht. Der Phasenkomparator 4 vergleicht also die Phase der vom Generator 2 gelieferten Signale mit der Phase der vom akustisch-elektrischen Wandler 5 empfagenen Signale und daher, da die Wandler 3 und 5 einen konstanten Abstand voneinander haben, ist das Signal am Ausgang des Phasenkomparators 4 direkt proportional zur Geschwindigkeit V, mit der die Ultraschallwellen sich im zu analysierenden Gasgemisch ausbreiten.

Das Ausgangssignal des Digital-Temperaturfühlers 1 und das Ausgangssignal des Phasenkomparators 4 stellen die wesentlichen Eingabe-Daten für einen Mikroprozessor 7 dar. Der Wert der Größe γ R ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel für eine diskrete Reihe von prozentualen Werten des Sauerstoffgehaltes und von Temperaturwerten vorausberechnet worden. Diese vorausberechneten Werte sind in einem Speicher 8 gespeichert. Der Mikroprozessor 7 errechnet das jeweilige Verhältnis V ² /T=γ R, vergleicht dessen Wert mit den im Speicher 8 enthaltenen Daten und liefert als Ergebnis dieses Vergleiches ein digitales Ausgangssignal, welches unmittelbar den prozentualen Sauerstoffgehalt angibt.

Das digitale Ausgangssignal des Mikroprozessors 7 stellt die Eingabe-Information für eine in der Zeichnung nicht näher gezeigte elektronische datenverarbeitende Regeleinrichtung dar, welche die Aufgabe hat, die dem Gemisch zusätzliche zuzuführende Sauerstoffmenge zu bestimmen, damit die optimale Zusammensetzung des Gasgemisches im Ansaugrohr erhalten wird.

Das gleiche digitale Ausgangssignal des Mikroprozessors 7 ermöglicht auch eine unmittelbare Ablesung des prozentualen Sauerstoffgehaltes und kann erforderlichenfalls mit Hilfe eines Digital-Analog-Umsetzers D/A in ein entsprechendes Analogsignal umgesetzt werden.

Eine Eicheinrichtung 9 gibt die Möglichkeit, dem Mikroprozessor 7 eine zusätzliche Eich-Eingabe zuzuführen, die einen Abgleich des erfindungsgemäßen Gasanalysators in Abhängigkeit vom wirklichen konstanten Abstand zwischen den beiden Wandlern 3 und 5 ermöglicht.

Claims

1. Gasanalysator zur Messung der prozentualen Zusammensetzung eines aus drei Bestandteilen, nämlich aus Kohlendioxyd, Sauerstoff und Wasserdampf bestehenden Gasgemisches, mit einer vom Gasgemisch durchströmten Meßzelle, innerhalb der ein Sender und ein Empfänger für ein Ultraschallsignal in einem bekannten Abstand zueinander angeordnet sind, mit einer Meßstelle zur Messung der Temperatur (T) des Gasgemisches in der Meßzelle und mit einer Auswerteeinheit, die durch Vergleich der gesendeten und empfangenen Ultraschallsignale mittels eines Phasenkomparators ein Ausgangssignal für die prozentuale Zusammensetzung der Anteile des Gasgemisches liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit einen Rechner (7) enthält, der aus dem Ausgangssignal (V) des Phasenkomparators (4) und dem Ausgangssignal (T) der Meßstelle (1) einen Meßwert (V ²/T) bildet, und daß die Auswerteeinheit einen Speicher (8) aufweist, in dem, jeweils bestimmten Temperaturwerten zugeordnet, eine für eine Reihe von verschiedenen prozentualen Anteilen von Sauerstoff vorausberechnete Wertetabelle abgespeichet ist, wobei aus dem Meßwert (V ²/T) entsprechenden abgespeicherten Wert der Wertetabelle der zugehörige Sauerstoffanteil auslesbar ist, aus dem in Kenntnis des der Temperatur (T) zugeordneten Wasserdampfanteils der Kohlendioxydanteil in an sich bekannter Weise bestimmbar ist.

2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßreinrichtung zum Messen der Temperatur des Gassgemisches vorzugsweise ein Digital-Temperaturfühler (1) ist.

3. Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgabeeinheit vorgesehen ist, mittels der die Anteile der Bestandteile des Gasgemisches optisch angezeigt werden.