DE2945172C2

DE2945172C2 - Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, insbesondere des Kohlendioxidgehaltes in einem Gasgemisch

Info

Publication number: DE2945172C2
Application number: DE19792945172
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Individual
Current assignee: KRAUSE, GERHARD, 8200 ROSENHEIM, DE
Priority date: 1979-11-08
Filing date: 1979-11-08
Publication date: 1983-09-01
Also published as: DE2945172A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, insbesondere des Kohlendioxydgehaites. in einem Gasgemisch, bei dem die durch die Konzentration des Gases in einem Dispersionsbereich sich stark ändernde Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches zur Bestimmung der Gaskonzentration herangezogen wird, indem mindestens zwei Schallwellen bekannter Phasenlagen und unterschiedlicher, im Einflußbereich des Dispersionsbereiches liegenden Frequenzen über eine das Gasgemisch enthaltenden Meßstrecke geschickt und ihre Phasenlagen am Ende der Meßstrecke miteinander verglichen werden.

Es ist aus dem Buch von L Bergmann »Der Ultraschall« S. 523-533 (Hirzel-Verlag, Stuttgart, 1954) bekannt, daß einige Gase, insbesondere Kohlendioxyd, die Eigenschaft haben, daß von einer bestimmten Frequenz an die Schallgeschwindigkeit relativ stark ansteigt. In der Patentschrift US 39 81 176 wird ein Verfahren beschrieben, daß diese Schalldispersioa zur Messung der Konzentration von Kohlendioxyd benutzt Bei dem in dieser Patentschrift beschriebenen Verfahren liegen aber beide Meßfrequenzen relativ eng benachbart nahezu in dem Abschnitt des Dispersionsgebietes, in dem sich die Geschwindigkeit am stärksten ändert Deswegen werden durch geringe Fremdgaszusätze, wie z.B. Wasserdampf und Alkohole große Meßfehler verursacht Weiterhin tretea bei dem Meßverfahren nach der Patentschrift US 39 81176 bereits große Meßfehler auf, wenn sich die Grundlaufzeit auf der Meßstrecke ändert, weil sich z.B. die Temperatur, der Luftdruck, die Länge der Meßstrecke oder das Konzentradonsverhältnis der dispersionsfreien Gase ändert Die Ursache ist, daß die Phasenverschiebung, bei gegebener Laufzeitänderung, bei der höheren Frequenz größer ist

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die oben genannten Meßfehler nicht vorhanden sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Frequenzen de^r beiden Schallwellen so gewählt werden, daß die erste am unteren und die zweite am oberen Ende des Dispersionsbereiches liegen, daß vor dem Phasenvergleich die niedrigere Frequenz durch Frequenzvervielfachung auf den gleichen Wert wie die höhere Frequenr gebracht wird und die Phasendifferenz ein Maß für die Gaskonzentration darstellt

Bei einer anderen Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß die Frequenz der beiden Schallwellen so gewählt, daß die erste am unteren und die zweite am oberen Ende des Dispersionsbereiches liegen, daß die beiden Schallwellen in gleicher Weise niederfrequent moduliert werden und die Phasenlagen der Modulationssignale am Ende der Meßstrecke nach der Demodulation verglichen werden und die Phasendifferenz ein Maß für die Gaskonzentration darstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Ermittlung des Kohiendiox/danteils in Abgasen

•»ο 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 Kohlendi-

¹⁽⁵ oxydsensor 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 Überwachungspersonal, z. B. einem Schornsteinfeger, zur Bestimmung des Kohlendioxydgehaites in Abgasen benutzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch bei

der Überwachung und Optimierung des Betriebs von Kraftfahrzeugmotoren.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt
Fig. I ein Blockschaltbild einer ersten vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Gasgehalts,

Fig.2 ein Blockschaltbild einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform,
Fig.3 das Blockschaltbild einer mit einem Impulsgenerator arbeitenden Ausführungsform.

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 Kohlendioxyd, 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, Schailstrahlen der entsprechenden Frequenz von 30 kHz bzw. 1,2 MHz abgibt Nach dem Durchlaufen der Meßstrecke 11 werden die Schallstrahlen .on 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 kohlendioxydfreier Meßstrecke 11 auf Null einzustellen.

An den Phasendetektor schließt sich zunächst ein Temperaturkompensationsgiied 27 an, das von einem an der Meßstrecke 11 angeordneten Temperatargeber 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 Kohlendioxydgehalt geeicht sein kann.

Nach dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 sind für die Erzeugung der niedrigen und höheren Frequenzen von 3OkHz 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 erzeugte 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. \2 MHz, welche Seitenbänder im Abstand von ± 1 kHz besitzen.

Am Ende der Meßstrecke sind w^;eder für jeden der beiden Schallstrahlen Ultraschallwanaler 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 angeschlossen.

Das Phasendrehglied 25 dient dem Nullabgleich bei kohlendioxydfreier 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 dum Abgleich auf der Eichstrecke erfaßt. Damit können Fehler durch Temperatur,

Geschwindigkeit, Länge der Meßstrecke usw. eliminiert werden.

Eine weitere zeichnerisch nicht dargestellte Ausführungsfonn 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 akustische Meßstrecke (z. B. mit einer Trägerfrequenz von 25 kHz) erforderlich. Die Phasenverschiebung über diese dritte Strecke wird dann mit Hilfe des ίο Referenzsignals ermittelt

Die vorstehenden Beschreibungen 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 Kohlendioxydmessung im allgemeinen gegeben.

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 ^ des neue Gas mit nicht vernachiässigbarer Dispersion ist eine neue Meßfrequenz erforderlich. Die Meßergebnisse auf den einzelnen Frequenzen, die von den verschiedenen Gasen unterschiedlich beeinflußt werden, werden anschießend 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 J5 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 anderen to 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 Gasgeschwindigkeitskomponente 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 einem Impulsgenerator 29' periodisch derart ein- und ausgeschaltet daß an den Sjndtwandlern 17, 18 Schwingungspakete der Frequenz von 3MHz bzw. 100 kHz mit einer Breite von 100 μβ entstehen.

Diese Schwingungspakete werden über die Meßstrecke 11 zu den Empfangswandlern 19, 20 geschickt f>o Die durch die W?ndler 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 Überschreitu >g der Schwellwerte werden die Ausgangssignale der Schwellwertdetektoren 36, 37 in einem anschließendem Zeitdifferenzdetektor 23' in

bezug auf ihre zeitliche Lage miteinander 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 F i g. 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, insbesondere des Kohlendioxydgehaltes, in einem Gasgemisch, bei dem die durch die Konzentration des Gases in einem Dispersionsbereich sich stark ändernde Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches zur Bestimmung der Gaskonzentration herangezogen wird, indem mindestens zwei Schallwellen bekannter Phasenlagen und unterschiedlicher, im Einflußbereich des Dispersionsbereiches liegenden Frequenzen über eine das Gasgemisch enthaltenden Meßstrecke geschickt und ihre Phasenlagen am Ende der Meßstrecke miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der beiden Schallwellen so gewählt werden, daß die erste am unteren und die zweite am oberen Ende des Dispersionsbereiches liegen, daß vor dem Phasenvergleich die niedrigere Frequenz durch Frequenzvervief aehung auf den gleichen Wert wie die höhere Frequenz gebracht wird und die Phasendifferenz ein Maß für die Gaskonzentration darstellt

2. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, insbesondere des Kohlendioxydgehaltes, in einem Gasgemisch, bei dem die durch die Konzentration des Gases in einem Dispersionsbereich sich stark ändernde Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches zur Bestimmung der Gaskonzentration herangezogen wird, indem mindestens zwei Schallwellen bekannter Phasenlagen und unterschiedliche, im Einflußbereich des Dispersionsbereiches liegenden FreqiΛπζεη über eine das Gasgemisch enthalterden Meßstrecke geschickt und ihre Phasenlagen am Ende ii - Meßstrecke miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der beiden Schallwellen so gewählt werden, daß die erste am unteren und die zweite am oberen Ende des Dispersionsbereiches liegen, daß die beiden Schallwellen in gleicher Weise niederfrequent moduliert werden und die Phasenlagen der Modulationssignale am Ende der Meßstrekke nach der Demodulation verglichen werden und die Phasendifferenz ein Maß für die Gaskonzentration darstellt.