DE2945172A1

DE2945172A1 - Verfahren und geraet zur bestimmung der konzentration eines gases in einem gasgemisch, insbesondere des kohlendioxidgehaltes

Info

Publication number: DE2945172A1
Application number: DE19792945172
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: KRAUSE, GERHARD, 8200 ROSENHEIM, DE
Priority date: 1979-11-08
Filing date: 1979-11-08
Publication date: 1981-05-21
Also published as: DE2945172C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Be-
stimmung des Gehalts eines Gases, insbesondere des Kohlendioxidgehalts, in einem Gasgemisch.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß einige Gase, insbesondere Kohlendioxid, die Eigenschaft haben, daß von einer bestimmten Frequenz an die Schallgeschwindigkeit relativ stark ansteigt. Bei Kohlendioxid steigt die Schallgeschwindigkeit beispielsweise im Bereich zwischen 30 kHz bis 1,2 MHz von etwa 258 m/s auf etwa 268 m/s an, Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren und ein Gerät zu schaffen, mit denen diese Eigenschaft bestimmter Gase, insbesondere des Kohlendioxid, für meßtechnische Zwecke ausgenutzt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die in einem Dispersionsgebiet sich stark ändernde Schallgeschwindigkeit des Gases durch Dispersionsmessungen am Gasgemisch zur Bestimmung des Gasgehalts herangezogen wird. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß der Dispersionsverlauf innerhalb des Gasgemisches von dem im Gasgemisch vorhandenen Gas, dessen Gehalt bestimmt werden soll, in ganz charakteristischer Weise beeinflußt wird, so daß der Dispersionsverlauf des Gasgemisches ein Maß für den Gehalt des Gases, insbesondere des Kohlendioxids, in dem Gasgemisch ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Ermittlung des Kohlendioxidanteils in Abgasen benutzt werden. Hiermit können beispielsweise Feuerungen auf optimalen Wirkungsgrad geregelt werden. Die Bedeutung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt insbesondere bei kleinen Heizungsanlagen.
Es kann so ein preiswerter und dennoch wirkungsvoller Kohlendioxidsensor geschaffen werden, welcher durch Einbau in einen geschlossenen Regelkreis den Wirkungsgrad von Kleinheizungsanlagen einschließlich Kohleheizungsanlagen optimieren kann. Außerdem kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auch der Schadstoffausstoß verringert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch vom Uberwachungspersonal, z.B. einem Schornsteinfeger, zur Bestimmung des Kohlendioxidgehalts in Abgasen benutzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch bei der Uberwachung und Optimierung des Betriebs von Kraftfahrzeugmotoren.
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind durch die Patentansprüche 1 bis 11 gekennzeichnet.
Das Verhältnis zweier Schallgeschwindigkeiten bei zwei bestimnten Frequenzen ist proportional zum Kohlendioxidgehalt. Zweckmäßig ist die hoheFequenz ein ganzzahliges Vielfaches der tiefen Frequenz. Die Phasen der beiden Signale können dann direkt miteinander verglichen werden. Ein Phasendetektor liefert in diesem Fall unmittelbar ein Signal, das proportional zum Kohlendioxidgehalt ist. Wenn nicht zur gleichen Zeit die Gasgeschwindigkeit bestimmt werden soll, erfolgt die Messung bei einem Kamin zweckmäßig quer durch diesen hindurch.
Vorteilhafte Ausführungsformen eines Gerätes zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind durch die Ansprüche 12 bis 35 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gerätes zur Bestimmung des Gasgehalts, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, Fig. 3 das Blockschaltbild einer mit einem Impulsgenerator arbeitenden Ausführungsform, Fig. 4 das Blockschaltbild einer mit Schwingungspaketen arbeitenden Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gerätes zur Bestimmung des Gasgehalts, Fig. 5 ein Phasen-Frequenzdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Gegenstandes der Fig. 4, Fig. 6 das Blockschaltbild einer mit Wobbelfrequenzgenerator und Rechteckimpulsvmodulator arbeitenden Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gerätes zur Bestimmung des Gasgehaltes, Fig. 7 ein PhasenFrequenz-Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Gegenstandes der Fig. 6 und Fig. 8 das Blockschaltbild einer lediglich mit Rechteckimpulsen arbeitenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes und einer Auswerteschaltung zur Analyse der Impulsverzerrung.
Nach Fig. 1 erzeugt ein Oszillator 12 eine Grundfrequenz, welche durch zwei Frequenzteiler 13, 14 auf Frequenzen am unteren und oberen Ende des Dispersionsgebietes von Kohlendioxid, nämlich 30 kHz bzw. 1,2 MHz vervielfacht bzw. geteilt wird. Die beiden Frequenzen sind zueinander phasenstarr.
Jede Frequenz wird nach Verstärkung in einem Verstärker 15 bzw. 16 einem elektroakustischen Ultraschallwandler 17 bzw.
18 zugeführt, welcher über die akustische Meßstrecke 11, in der sich das Gasgemisch befindet, Schallstrahlen der entsprechenden Frequenz von 30 kHz bzw. 1,2 MHz abgibt. Nach dem Durchlaufen der Meßstrecke 11 werden die Schall strahlen von elektroakustischen Ultraschallwandlern 19, 20 empfangen und über Verstärker 21 bzw. 22 einem Frequenzvervielfacher 24 bzw. einem Phasendrehglied 25 zugeführt. Der Frequenzvervielfacher vervielfacht die Frequenz der unteren Meßkette auf den Wert der Frequenz der oberen Meßkette, so daß in einem anschließenden Phasendetektor 23 die Phasen zweier gleicher Frequenzen (1,2 MHz) verglichen werden. Das Phasendrehglied 25 dient dazu, das Gerät bei kohlendioxidfreier Meßstrecke 11 auf Null einzustellen.
An den Phasendetektor schließt sich zunächst ein Temperaturkompensationsglied 27 an, das von einem an der Meßstrecke 11 angeordneten Temperaturgeber 28 gesteuert ist. Das Temperaturkompensationsglied 27 gleicht Schwankungen der Empfangssignale aus, die durch Temperaturänderungen in der Meßstrecke 11 und nicht durch änderungen in der Zusammensetzung des Gasgemisches hervorgerufen werden. An das Temperaturkompensationsglied 27 ist dann schließlich ein Anzeigeinstrument 26 angeschlossen, welches unmittelbar in Kohlendioxidgehalten geeicht sein kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind für die Erzeugung der niedrigen und höheren Frequenzen von 30 kHz bzw. 1,2 MHz getrennte Oszillatoren 12', 12" vorgesehen, welche an Modulatoren 30 bzw. 31 angeschlossen sind. Den Modulatoren wird außerdem eine von einem Oszillator 29 erzeuge Modulationsfrequenz von 1 kHz zugeführt.
Das modulierte Frequenzsignal wird über Verstärker 15, 16 wieder den Ultraschallwandlern 17 bzw. 18 zugeführt.
Über die Meßstrecke 11 verlaufen dann nebeneinander zwei Schallstrahlen mit einer Grundfrequenz von 30 kHz bzw.
1,2 MHz, welche Seitenbänder im Abstand von - 1 kHz besitzen.
Am Ende der Meßstrecke sind wieder für jeden der beiden Schallstrahlen Ultraschallwandler 19, 20 vorgesehen denen Verstärker 21, 22 und die Demodulatoren 32, 33 folgen. An den Demodulator schließt sich ein Phasendrehglied 25 an.
Die demodulierte Frequenz von 1 kHz beider Meßketten wird einem Phasendetektor 23 zugeführt. Der Phasendetektor ist an eine Dividierstufe 34 angeschlossen.
Das Phasendrehglied 25 dient dem Nullabgleich bei kohlendioxidfreier Meßstrecke.
Die Modulationsfrequenz des Oszillators 29 ist außerdem über eine Leitung 36 einem zweiten Phasendetektor 35 zugeführt, welcher außerdem an den Ausgang des Demodulators 32 angeschlossen ist. Der Ausgang des Phasendetektors 35 ist dem zweiten Eingang der Dividierstufe 34 zugeführt.
Der Ausgang der Dividierstufe 34 speist unmittelbar das Anzeigeinstrument 26.
Mit Hilfe des über die Leitung 36 dem Phasendetektor 35 zugeführten Referenzsignals wird die Änderung der Laufzeit nach dem Abgleich auf der Sichstrecke erfaßt. Damit können Fehler durch Temperatur, Gasgeschwindigkeit, Länge der Meßstrecke usw. eliminiert erden.
Eine weitere, zeichnerische nicht dargestellte Ausführungsform sieht vor, daß die Änderungen der Laufzeit mit einer noch tieferen Modulationsfrequenz von z.B. 100 Hz erfaßt wird.
Es ist dann noch eine dritte al:ustische Meßstrecke (z.B. mit einer Trägerfrequenz von 2,5 kT-Izierforderlich. Die Phasenverschiebung über diese dritte Strecke wird dann mit Hilfe des Referenzsignals ermittelt.
Beim Aufbau eines Gerätes zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende Bedingunren zu beachten: hierin bedeutet: PCO2 = CO2 - Partialdruck PG = Gesamtdruck (Summe aller Partialdrucke) c = Schallgeschwindigkeit f = Meßfrequenz

(dc/df) Mess

= Der gemessene Differentialquotient an der Meßstrecke

(dc/df) Eich

= Der Differentialquotient der gemessen wird, wenn nur CO2 vorhanden ist. Dieser Wert ist in weiten Druckbereichen nahezu druckunabhängig.
Die vorstehenden Beziehungen gehen davon aus, daß in dem Gasgemisch lediglich ein einziges Gas mit einer ausgeprägten Dispersion in dem Meß-Frequenzgebiet vorhanden ist, während alle anderen Gase keine Dispersion aufweisen. Dieser Fall ist bei der Kohlendioxidmessung im allgemeinen gegeben. Die Erfindung beruht somit auch mit auf der Erkenntnis, daß das Kohlendioxid hinsichtlich des Dispersionsverhaltens in dem interessierenden Frequenzbereich eine Ausnahme darstellt. Diese Ausnahme wird für ein einfaches und betriebssicheres Gasanalysenverfahren genutzt.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, ein oder mehrere Gaskomponenten sinngemäß mit der beschriebenen Methode zu messen, wenn mehr als ein Gas eine frequenzabhängige Schallgeschwindigkeit hat. Die Dispersionskurven der Gase müssen aber in der Frequenz zueinander verschoben sein. Für jedes neue Gas mit nicht vernachlässigbarer Dispersion ist eine neue Meßfrequenz erforderlich. Die Meßergebnisse auf den einzelnen Frequenzen, die von den verschiedenen Gasen unterschiedlich beeinflußt werden, werden anschließend mittels eines linearen Gleichungssystems automatisch umgerechnet, so daß die Endergebnisse nur noch von jeweils einem Gas abhängig sind. Methoden zur mathematischen Trennung verschiedener Komponenten sind von der optischen Spektroskopie bekannt.
Wenn sich die Frequenzen sehr unterscheiden, dann wird man in der Regel wie nach den Fig. 1, 2 zwei Sendewandler 17, 18 bzw. Empfangswandler 19, 20 verwenden. Wenn es gelingt, sehr breitbandige Ultraschallwandler zu entwickeln, dann können alle Frequenzen auch über einen Sendewandler bzw. Empfangswandler gegeben werden. Schließlich kann bei Impulsbetrieb das Signal auch ausgesendet, auf der andren Seite der Meßstrecke reflektiert und schließlich mit dem gleichen Wandler wieder empfangen werden. Letzteres hat noch den Vorteil, daß die Gasgeschwindigkeit weitgehend eliminiert wird, wenn eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Schallausbreitung nicht verhindert werden kann.
Nach Fig. 3 werden die beiden elektroakustischen Sendewandler 17, 18 über Modulatorschalter 30', 31', welche auch durch elektronische Schalter gebildet sein können, von den Oszillatoren 12' bzw. 12" beaufschlagt. Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt der Oszillator 12' eine Frequenz von 3 MHz und der Oszillator 12" eine Frequenz von 100 kHz ab.
Die Schalter werden von ejnem Impulsenerator 29' periodisch derart ein- und ausgeschaltet, daß an den Sendewandlern 17, 18 Schwingungspakete der Frequenz von 3 MHz bzw. 100 kHz mit einer Breite von 100/us entstehen.
Diese Schwingungspakete werden über die Meßstrecke 11 zu den Empfangswandlern 19, 20 geschickt. Die durch dieWandler 19, 20 gebildeten elektrischen Signale werden in den Verstärkern 21, 22 verstärkt, in den Demodulatoren 32, 33 demoduliert und schließlich in den Schwellwertdetektoren 36, 37 daraufhin überprüft, ob sie den vorgegebenen Schwellwert überschreiten.
Bei Überschreitung der Schwellwerte werden die Ausgangssignale der Schwellwertdetektoren 36, 37 in einem anschließendem Zeitdifferenzdetektor 23' in bezug auf ihre zeitliche Lage mit einander verglichen. Da die beiden Impulspakete unterschiedliche Frequenz aufweisen, durchlaufen sie die Meßstrecke 11 im Falle einer Dispersion mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die hierdurch entstehende Zeitdifferenz wird im Zeitdifferenzdetektor 23' erfaßt und auf dem Meßinstrument 26 zur Anzeige gebracht. Das Meßinstrument 26 könnte direkt in Gasgehalten geeicht sein.
In den Zweig mit hoher Frequenz kann hinter dem Schwellwertdetektor 37 noch ein ggf. einstellbares Verzögerungsglied 25' eingeschaltet sein, welches bei nicht vorhandenem Meßgas so eingestellt wird, daß am Ausgang des Zeitdifferenzdetektors 23' ein Null-Signal vorliegt.
Der Vorteil der mit Impulsen arbeitenden Ausführungsform nach Fig. 3 besteht darin, daß der Vergleich am Ende der Meßstrecke auf eine Zeitdifferenzmessung beschränkt werden kann.
Auch bei dieser Ausführungsform könnte eine dritte Strecke und ein Dividierer zur automatischen Eliminierung der Schwankungen der Grundlaufzeit eingefügt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird ein Wobbelfrequenzgenerator 38 verwendet, der durch eine Sägezahnspannungsgenerator 44 angesteuert ist. Der Sägezahnspannungsgenerator 44 wird seinerseits durch einen Steuergenerator 43 derart beaufschlagt, daß er die Sägezahnspannung in einer genau vorherbestimmten zeitlichen Folge abgibt.
Beispielsweise kann die Sägezahnspannung eine Frequenz von 10 Hz haben.
Aufgrund dieser Ausbildung fährt der Wobbelfrequenzgenerator 38 relativ langsam den in ihm vorgesehenen Frequenzbereich von beispielsweise 100 bis 1000 kHz ab. Mit anderen Worten gibt der Wobbelfrequenzgenerator 38 eine sich sägezahnförmig stetig ändernde Frequenz in dem vorgenannten Bereich ab. Die Frequenz steigt linear von dem niedrigen Wert zum hohen Wert, fällt dann schlagartig auf den niedrigen Wert ab und steigt dann erneut. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch etwa alle 1/10 sec.
Mit dieser Wobbelfrequenz wird der elektroakustische Sendewandler 18 beaufschlagt. Auf der Meßstrecke 11 entsteht ein entsprechend mit der Frequenz von 100 bis 1000 kHz gewobbelte Schall strahl.
Der Smpfangswandler 20 gibt das von ihm erzeugte entsprechende elektrische Signal über einen Verstärker 22 an einen Phasendetektor 23 weiter, dessen anderer Eingang durch eine Leitung 57 direkt mit dem Ausgang des Wobbelfrequenzgenerators 38 verbunden ist. Auf diese Weise führt der Phasendetektor einen ständigen Vergleich der Phase des durch die Meßstrecke 11 gegangenen und des direkt über die Leitung 57 zu ihm gelangenden Frequenzsignals.
In dem Diagramm der Fig. 5 ist die am Ausgang des Phasendetektors 23 erscheinende Differenzphasein Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Die 450-Gerade a gibt die Beziehung zwischen Phase und Frequenz bei dispersionsfreier Meßstrecke 11 wieder. Sofern ein eine Dispersion hervorrufen-Gas des/auf der Meßstrecke 11 sich befindet, gilt beispielsweise die Meßkurve b. Die vom Phasendetektor 23 ermittelte Phasendifferenz steigt demnach mit zunehmender Frequenz langsamer an als ohne ein mit einer Dispersion behaftetes Gas innerhalb der Meßstrecke 11.
Zur Auswertung des am Ausgang des Phasendetektors 23 entstehenden Meßsignale wird dieses an eine zweifach nach der Zeit differenzierende Schaltstufe 40 angelegt. Das Ausgangssignal der Zweifachdifferenzierstufe 40 wird über eine Mittelwertbildungsstufe an das Meßinstrument 26 angelegt.
In Fig. 5 ist der Differentialquotient d/df und der zweifache Differentialquotient d29/df2 sowohl für die dispersionsfreie Kurve a als auch für die Kurve b wiedergegeben. Man erkennt, daß der zweite Di fferent;ialquotient zxtgleich Null ist, während im DispersionsgeLiet der zweite Differentialquotient b" den aus Fig. 5 ersichtlichen Verlauf hat, wonach im Dispersionsgebiet ein Maximum vorliegt. Durch Mittelwertbildung kann dieser zweite Differentialquotient b" am Instrument 26 zur Anzeige gebracht werden.
Der an den Steuergenerator 43 angeschlossene vorzugsweise elektronische Schalter 42 dient dazu, beim Rückschalten des Sägezahnspannungsgenerators 44 von der hohen auf die niedrige Spannung die Verbindung zwischen der Zweifachdifferenzierstufe 40 und der Mittelwertstufe 41 kurzzeitig zu unterbrechen.
Das Gerät nach den Fig. 4 und 5 eignet sich besonders für kürzere Meßstrecken bzw. kleine Frequenzhübe.. Bei Phasendifferenzen von # gleich mehr als 360° ist das Verfahren mehrdeutig.
Für diesen Fall eignet sich besonders die Schaltung nach Fig. 6, in der gleiche Bezugszahlen die gleichen Elemente wie in dem vorangehenden Ausführungsbeispiel kennzeichnen.
Hier ist zwischen den Frequenzwobbelgenerator 38 und den Sendewandler 18 ein Modulator 46 geschaltet, welcher durch einen vorzugsweise Rechteckimpulse aussenden Oszillator 45 gesteuert wird. Während die Grundfrequenz des Sägezahnspannungsgenerators 44 bei 10 Hz liegt und der Wobbelfrequenzgenerator 38 im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Frequenzbereich von etwa 50 - 2000 kHz überstreichen soll, liefert der Oszillator 45 ein Rechteck-Impulssignal mit - - zwec>ß1g einer Frequenz von etwa 1 kHz. Mit anderen Worten soll Alie -Frequenz des Modulationsoszillators 45 um mehrere Größenordnungen höher sein als die Grundfrequenz des Säge zahnspannungsgenerators 44. Die niedriste, vom Generator 78 zweckmäßig abgegebene Frequenz des Wobbelbereiches soll/ihrerseits um mindestens eine Zehnerpotenz größer sein als die Frequenz des Modulationsoszillators 45.
Aufgrund dieser Ausbildung laufen über die Meßstrecke 11 nacheinander Impulse mit im Rhythmus der Wobbelfrequenz stetig zunehmender und dann wieder schlagartig abnehmender Frequenz. Auf der Empfangsseite werden die vom Wandler 20 aufgenommenen und bei 22 verstärkten Impulse in dem Demodulator 33 demoduliert. Ein anschließender Phasen- oder Zeitdifferenzdetektor 23 vergleicht nun die Phase der durch die Meßstrecke 11 gegangenen Impulse mit der Phase der Sendeimpulse, welche über eine Leitung 57 vom Ausgang des Oszillators 45 direkt dem anderen Eingang des Zeitdifferenzdetektors 23 zugeführt wird.
Das Ausgangssignal des Zeitdifferenzdetektors 23 ist in Fig. 7 veranschaulicht. Mit a ist die Phase t des Modulationssignals in Abhängigkeit von der Frequenz f bei nicht vorhandener Dispersion auf der Meßstrecke 11 bezeichnet.
Mit Dispersion auf der Meßstrecke 11 ergibt sich ein Phasen-Frequenzverlauf, wie er durch die Kurve b in Fig. 7 angedeutet ist.
Das Ausgangssignal des Zeitdifferenzdetektors 23 wird an eine Zeitdifferentiationsstufe 47 gegeben. Das Ergebnis der Differentiation ist in Fig. 7 in gepunkteten Linien für die Dispersionsgerade a mit a' und für die Dispersionskurve b mit b' angegeben.
Wird jetzt in dem an die Differentiationsstufe 47 anschließenden Mittelwertbildner 41 der Mittelwert des Signals b' gebildet, so ist dieser ein iíaß für den Gasgehalt des die Dispersion aufweisenden Gases in der Meßstrecke 11. Der Mittelwert kann in dem Instrument 26 zur Anzeige gebracht werden.
Der elektronische Schalter 42, der ebenso wie der Säge zahnspannungsgenerator 44 von dem Steuergenerator 43 beaufschlagt wird, hat die gleiche Aufgabe wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4.
Durch geeignete Wahl der zeitlichen Abstände der von dem Oszillator 45 abgegebenen Viodulationsimpulse kann auch bei langen Meßstrecken eine Ändeutigkeit des Meßsignal gewährleistet werden.
Nach Fig. 8 erzeugt ein ImpuEsgenerator 48 Rechteckimpulse A oder Stufenimpulse B. Diese werden über den elektroakustischen Ultraschallwandler 18 als Schallimpulse auf die Meßstrecke 11 gegeben.
Im Anschluß an den Ultraschallwandler 20 befinden sich in Parallelschaltung zwei Bandpässe 49, 50. Der Bandpaßfilter 49 kann ein Hochpaß sein oder beispielsweise auf eine Frequenz von ungefähr 2 MHz abgestimmt sein.
Der Bandpaßfilter 50 kann ein Tiefpaß oder ein Bandpaß mit einer Durchlaßfrequenz von beispielsweise 100 kHz sein.
Wesentlich ist, daß die beiden Bandpässe Frequenzbereiche durchlassen, die sich in möglichst weit voneinander abgelegenen Zonen des Dispersionsgebietes des Meßgases befinden.
Maßgebend für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist die Erkenntnis, daß in Rechteck- oder Stufenimpulsen sehr viele Frequenzen enthalten sind, welche durch die Einschaltung der beiden Bandpaßfilter gesondert ausgewertet werden können.
Die Auangssienale der Pandpa(?filter 49, 50 werden über Gleichrichter 51, 52 auf Tiefpiastle mit einer Grenzfrequenz von beispielsweise 50 kHz gegeben. Es schließen sich Schwellwertdetektoren 55 bzw. 56 an. Die Ausgangssignale der Schwellwertdetektoren werden ggf. über ein dem Nullpunktabgleich dienendes Verzögerungsglied 56 einem Zeitdifferenzdetektor 23' zugeführt, dessen Ausgang wieder das Meßinstrument 26 speist.
Aufgrund dieser Ausbildung filtern die Bandpaßfilter 49, 50 aus dem Empfangsimpuls zwei sehr unterschiedliche Frequenzbereiche heraus, welche die Meßstrecke 11 in unterschiedlichen Zeiten durchlaufen haben. Diese Zeitdifferenz wird vom Zeitdifferenzdetektor 23' erfaßt und zur Bestimmung des Gasgehaltes in der Meßstrecke 11 genutzt. Das Meßinstrument 26 kann wieder direkt in Gasgehalten geeicht sein.

Claims

Verfahren und Gerät zur Bestimmung der Konzentration eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere des Kohlendioxidgehaltes Patentansprüche: Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, insbesondere des Kohlendioxidgehalts, in einem Gasgemisch, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die sich in einem Dispersionsgebiet stark ändernde Schallgeschwindigkeit des Gases durch Dispersionsmessungen am Gasgemisch zur Bestimmung des Gasgehalts herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß in einem Dispersionsgebiet des Gases die Dispersionskurve bei Vorhandensein des Gasgemisches bestimmt und mit der Dispersionskurve des reinen Gases verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c.h -n e t , daß zusätzlich außerhalb des Dispersionsgebietes die Schallgeschwindigkeiten des Gasgemisches und des reinen Gases bestimmt und miteinander verglichen werden.
r 4* Verfahren nach Anspruch 1. dadurch g e k e n n z e i c h -InÜnestens n e t, daß wei Schallstrahlen mit bekannter Phasenlage und mit unterschiedlichen, im Bereich des Dispersionsgebietes vorzugsweise an dessen Anfang und Ende liegenden Frequenzen über eine das Gasgemisch enthaltende Meßstrecke (11) geschickt werden und ihre Phasenlagen am Ende der Meßstrecke miteinander verglichen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h -zwei n e t , daß die/Schallstrahlen mit der gleichen niedrigen Frequenz moduliert werden und die Phasenlagen der beiden Modulationssignale am Ende der Meßstrecke miteinander verglichen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß das Modulationssignal eine Sinuswelle ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Modulationssignal ein rechteckiges Impulssignal ist und die Differenz der Ankunftszeiten zweier gleichzeitig ausgesandter Impulse mit der unterschiedlichen Frequenz am Ende der Meßstrecke (11) bestimmt wird.
8q Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß ein Schallstrahl mit einer über einen möglichst großen Bereich des iispersionsgebietes gewobbelten Frequenz durch eine das Gasgemisch enthaltende Meßstrecke (11) geschickt wird und am Ende der Meßstrecke (11) in Abhängigkeit von der Frequenz die Phase des Empfangssignales mit der Phase des Sendesignales verglichen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das aus dem Vergleich resultierende Differenzsignal zweimal nach der Frequenz differenziert wird und der Mittelwert des Ergebnisses als Maß für die Schallgeschwindigkeit verwendet wird.
10.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das gewobbelte Frequenzsignal mit einer gegenüber der Wobbelfrequenz hohen Frequenz, vorzugsweiseehXm Rechtecksignal, moduliert wird und die Phasendifferenz zwischen Sende- und Empfangsimpulsen erfaßt, das Differenzsignal einmal nach der Frequenz differenziert und der Mittelwert des Ergebnisses als Maß für die Schallgeschwindigkeit verwendet wird.
< Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß Schall strahlen in Form von Rechteckimpulsen durch die Meßstrecke (11) gesandt werden, daß am Ende stiIrestens der Meßstrecke (11) aus Jedem ImpuIsrzwei unterschiedliche Frequenzbereiche innerhalb des oder nahe dem Dispersionagebiet ausgesiebt und bezüglich ihrer relativen Phasenverschiebung verglichen werden.
12. Gerät zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß von einem gemeinsamen Oszillator (12) über Frequenzteiler (13, 14) die beiden unterschiedlichen Frequenzen am Anfang und Ende des Dispersionegebietes erzeugt werden und nach Verstärkung (15, 16) zwei elektroakustischen Ultraschallwandlern (17, 18) zugeführt sind, welche die Schall strahlen entsprechender Frequenz über die Meßstrecke (11) schicken, daß am Ende der Meßstrecke zwei Ultraschali-Einpfangswandler (19, 20) angeordnet sind, welche jeweils einen der beiden Schallstrahlen aufnehmen, daß an die Ultraschallwandler (19, 20) über Verstärker (21, 22) ein Phasendetektor (23) angeschlossen ist und daß die niedrigere Frequenz durch einen Frequenzvervielfacher (24) auf den gleichen Wert wie die höhere Frequenz gebracht wird.
13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß zwischen Verstärker (22) und den Phasendetektor (23) der Meßkette mit der höheren Frequenz ein Phasendrehglied (25) geschaltet ist, welches abgleichbar ist, um das Gerät bei meßgasfreier, insbesondere kohlendioxidfreier Meßstrecke (11) auf Null einzustellen.
14. Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß an den Phasendetektor ein unmittelbar in Gasgehalten geeichtes Anzeigegerät (26) angeschlossen ist.
15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß zwischen den Phasendetektor (23) und das Anzeigeinstrument (26) ein Temperatur-Korrekturglied (27) geschaltet ist, welches von einem die Temperatur in der Meßstrecke (11) feststellenden Temperaturgeber (28) gesteuert ist.
16. Gerät nach einem der Ansprüche 12 bis 15 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß zwei die Frequenzen am Anfang und Ende des Dispersionsgebietes liefernde Oszillatoren (12', 12") an jeweils einen Modulator (30, 31) angeschlossen sind, der von einem die niedrigere Modulationsfrequenz erzeugenden Oszillator (29) beaufschlagt ist und daß auf der Empfangsseite in jede Meßkette ein Demodulator (32, 33) vor dem Phasendetektor (23) eingeschaltet ist.
17. Gerät nach Anspruch 16, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß außer dem ersten Phasendetektor (23) ein zweiter, an den einen der beiden Demodulatoren, vorzugsweise den von der niedrigeren Frequenz beaufschlagten Demodulator (32) angeschlossener Phasendetektor (35) verwendet wird, dem als Referenzsignal die Phase des Modulationsoszillators (29) zugeführt ist.
18. Gerät nach Anspruch 17, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Ausgänge der beiden Phasendetektoren (23, 35) an eine Dividierstufe (34) angelegt sind, an deren Ausgang das Anzeigeinstrument (26) angeschlossen ist.
19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß zwischen einem der Demodulatoren (32, 33) und dem Phasendetektor (23) ein Phasendrehglied für den Nullabgleich bei meßgasfreier, insbesondere kohlendioxidfreier Meßstrecke angeordnet ist.
20. Gerät nach Anspruch 16 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Modulatoren aus zwei von einem Rechteckimpulsgenerator (29') periodisch geöffneten und geschlossenen Schaltern (30', 31') bestehen.
21. Gerät nach Anspruch 20, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß an jeden Demodulator (32, 33) Schwellwertdetektoren (36 bzw. 37) angeschlossen sind, denen ein Zeitdifferenzdetektor (23') folgt, an welchen das Meßinstrument (26) angeschlossen ist.
22. Gerät zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 8 oder 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Wobbelfrequenzgenerator (38) einen elektroakustischen Sendewandler (18) beaufschlagt und daß der zugeordnete Empfangswandler (20) über einen Verstärker (22) an einen Phasendetektor (23) angeschlossen ist, dessen anderem Eingang ein dem Sendesignal entsprechendes Phasensignal zugeführt wird.
23. Gerät nach Anspruch 22, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Ausgang des Phasendetektors an eine zweifach nach der Zeit differenzierende Schaltstufe (40) angelegt ist und daß zwischen die Zweifachdifferenzierstufe (40) und das Meßinstrument (26) eine Mittelwertbildungsstufe (41) eingeschaltet ist.
24. Gerät nach Anspruch 22 oder 23, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zwischen die Zweifachdifferenzierungsstufe (40) und die Mittelwertbildungsstufe (41) ein Schalter (42) gelegt ist, welcher Jeweils beim Rückschalten des Wobbelfrequenzgenerators (38) von der hohen Frequenz auf die niedrige Frequenz kurzzeitig geöffnet wird.
25. Gerät nach Anspruch 24, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß ein Steuergenerator (43) sowohl einen den Wobbelfrequenzgenerator (38) ansteuernden Sägezahnspannungsgenerator (44) als auch den Schalter (42) derart beaufschlagt, daß beim Rückschalten des Sägezahngenerators von der hohen auf die niedrige Spannung der Schalter (42) kurzfristig geöffnet wird.
26. Gerät zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 10, durch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Wobbelfrequenzgenerator (38) über einen an einen Rechtecksignalgenerator (45) angeschlossenen Modulator (46) den elektroakustischen Sendewandler (18) beaufschlagt, daß auf den Empfangswandler (20) und den angeschlossenen Verstärker (22) ein Demodulator (33) folgt und daß an dem Demodulator (33) ein Phasen-oder Zeitdifferenzdetektor (23) angeschlossen ist, dessen anderem Eingang ein Phasensignal direkt vom Rechteckimpulsgenerator (45) zugeführt ist.
27. Gerät nach Anspruch 26, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Ausgang des Phasen- oder Zeitdifferenzdetektors (23) an eine Zeitdifferenzierstufe (47) angeschlossen ist, der eine das Meßinstrument (26) beaufschlagenden Mittelwertbildungsstufe (41) folgt.
28. Gerät nach Anspruch 27, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß zwischen die Differenzierstufe (47) und die Mittelwertbildungsstufe (43) ein elektronischer Schalter (42) geschaltet ist, welcher jeweils während der Rückschaltung des Wobbelfrequenzgenerators (38) auf die niedrige Frequenz kurzzeitig geöffnet wird.
29. Gerät nach Anspruch 28, dadurch gek e n n z e i c h -n e t , daß ein Steuergenerator (43) einen den Wobbelfrequenzgenerator (38) ansteuernden Sägezahnspannungsgenerator (44) und den elektronischen Schalter (42) beaufschlagt.
30. Gerät zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Rechteckimpulsgenerator (48) den elektroakustischen Sendewandler (18) beaufschlagt und von dem Empfangswandler (20) zwei Bandpaß filter (49, 50) abzweigen, welche auf die beiden unterschiedlichen Frequenzbereiche abgestimmt sind.
31. Gerät nach Anspruch 30, dadurch gek e n n z e i c h -n e t , daß an jeden Bandpaß Gleichrichter (51, 52) anschließen.
32. Gerät nach Anspruch 31, dadurch gek e n n z e i c h -n e t , daß an die Gleichrichter (51, 52) Tiefpässe (53, 54) angelegt sind.
33. Gerät nach Anspruch 32, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Tiefpässe (53, 54) an Schwellwertdetektoren angelegt sind.
34. Gerät nach einem der Ansprüche 30 - 33, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das ggf. verarbeitete Ausgangssignal der Bandpässe (49, 50) an einen Zeitdifferenzdetektor (23') angelegt sind, dessen Ausgang an dem Meßinstrument (26) anliegt.
35. Gerät nach Anspruch 34, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß in den einen der beiden Bandpaßzweige ein Verzögerungsglied (56) eingeschaltet ist.