DE3021041A1

DE3021041A1 - Messverfahren und -geraet zur gleichzeitigen bestimmung des konzentrations-(alpha) und des verduennungsverhaeltnisses zweier gase einer gasmatrix

Info

Publication number: DE3021041A1
Application number: DE19803021041
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 2000 Hamburg Nestler
Original assignee: H MAIHAK AG 2000 HAMBURG; H Maihak AG
Current assignee: H Maihak AG
Priority date: 1980-06-03
Filing date: 1980-06-03
Publication date: 1981-12-10
Also published as: DE3021041C2

Description

Meßverfahren und -gerät zur gleichzeitigen Bestimmung des
Konzentrations- und des Verdünnungsverhältnisses zweier Gase einer Gasmatrix Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung des Konzentrationsverhältnisses sowie des Verdünnungsverhältnisses zweier optisch aktiver Gase in einer optisch inaktiven Gasintrix gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Meßgerät zur Durchführung dieses Verfahrens.
Aus der DE-OS 24 60 895 ist bereits ein Verfahren bekannt, das es gestattet, das Konzentrationsverhältnis zweier infrarot-aktiver Gase, deren Absorptionsspektren sich überlappen, direkt zu messen, ohne daß die Einzelkonzentrationen bekannt sind.
Bei einer Ausführungsform dieses vorbekannten Verfahrens wird an der vom zu untersuchenden gasförmigen Stoffgemisch, beispielsweise bestehend aus CO, C02 und N2, durchgelassenen Strahlung eir dem Verhältnis I'/I", d. h. dem Verhältnis der ersten Ableitung I' zur zweiten Ableitung I" der spektralen Intensitätsverteilung, proportionale Größe gemessen und als Maß für das Konzentrationsverhältnis von CO zu C02 verwendet, wobei die Messung im Bereich des Absorptionsminimums zwischen den Absorptionsmaxima der beiden Komponenten CO und C02 vorge-2 nommen wird. Bei diesem vorbekannten Verfahren wird nur ein einziger Aufnehmer verwendet, aus dessen Ausgangssignal die beiden Signale I'und I" gewonnen werden.
Figur 1 zeigt das mit einer geeigneten Apparatur gemessene Signal I' in Abhängigkeit vom Signal I". Die Punkte 1, 2 und 3 stellen dabei jeweils Verdünnungen von 1 : 1, 1 : 10 und 1 : 100 dar. Nach dem Verfahren der DE-OS 24 69 895 soll der Quotient I'/I" ein verdünnungsunabhängiges Maß für das Konzentrationsverhältnis CO/CO2 darstellen. Dies gilt aber stets nur dann, wenn jede der in Figur 1 dargestellten Meßkurven eine Gerade ist und sich gleichzeitig die zu verschiedenen CO/C02-Verhältnissen gehörenden Geraden alle im Null-Punkt des I'-I"-Diagramms schneiden. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, gilt dies jedoch insbesondere für große Verdünnungen nicht; vielmehr läßt Figur 1 sogar erkennen, daß ganz offensichtlich das Verdünnungsverhältnis eine Störgröße darstellt. Es ist jedoch nicht sinnvoll, die Störgröße "Verdünnung" konstant zu halten und bei der Kalibrierung des Meßgerätes zu berücksichtigen, weil dadurch der Anwendungsbereich des Meßgerätes über Gebühr eingeschränkt würde.
Figur 2 zeigt die aus Figur 1 gewonnenen Quotienten I'/I" in Abhängigkeit vom CO/C02-Verhältnis bei einem Verdünnungsverhältnis von 1 : 1 (voll ausgezogen gezeichnete Kurve). Es ist notwendig, diese Kurve zu linearisieren und anschließend mit einem konstanten Faktor zu multiplizieren, um so einen normierten Ausgangswert zu erreichen. Die in Figur 2 gestrichelt gezeichnete Kurve ist bei einem Verdünnungsverhältnis von 1 : 100 aufgenommen worden. Wie aus Figur 2 ganz offensichtlich erkennbar ist, beeinflußt die Störgröße "Verdünnungsverhältnis" den Quotienten I'/I" erheblich. Nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz können sich der Verdünnungsfehler, der Linearisierungsfehler und der Fehler bei der Multiplikation ungünstig zu einem verhältnismäßig großen Gesaintfehler zusammenfinden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Figur 1 bereits alle Informationen enthält, die notwendig sind, um das Konzentrationsverhältnis der beiden Meßgase u.-abhängig vom Verdünnungsverhältnis darzustellen und gleicr.-zeitig das Verdünnungsverhältnis selbst als Meßergebnis zur Verfügung zu stellen. Offensichtlich enthält somit Figur 1 auch gleichzeitig alle zur Darstellung der Absolut-Konzentrationen der beiden Gase erforderlichen Informationen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete Verfahren so auszubilden, daß die Störgröße "Verdünnungsverhältnis" den darzustellenden Meßwert "Konzentrationsverhältnis" nicht beeinflußt, daß darüber hinaus das "Verdünnungsverhältnis" selbst als Meßergebnis aufgefaßt und als weiter darzustellender Meßwert zur Anzeige gebracht werden kann und daß Linearisierung und Normierung Teil eines einzigen Auswerteschrittes sind. Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, ein zur Durchführung des zu schaffenden Verfahrens geeignetes Meßgerät zu schaffen.
Diese Rufgabe wird erfindungsgemäß in verfahrenstechnischer bzw. gerätetechnischer Hinsicht durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 bzw. 6 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Anders ausgedrückt besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß zunächst zwei linear unabhängige Meßsignale S1 und gewonnen werden, denen mittels zweier Polynome jeweils eindeutig linearisierte und normierte Meßgrößen Z und Z' zugeordnet werden. Zur Kalibrierung des Meßgerätes werden Meßproben gemessen, deren Konzentrationsverhältnis Z und Verdünnungsverhältnis Z' bekannt sind, und zwar unter Variation von Z und Z'. So werden Zahlentripel Z, S1, S2 und Z', S1, S2 gewonnen, die ihrerseits Punkte im dreidimensionalen Raum darstellen.
Die durch Messung gewonnenen Zahlentripel lassen sich durch Polynome, z. B. in der Form approximieren.
Die Polynome stellen im allgemeinsten Fall gekrümmte Flächen im dreidimensionalen Raum dar. Die Koeffizienten dieser Polynome lassen sich im Wege der bekannten multiplen Regressionsanalyse derart bestimmen, daß die Summe der Quadrate der Abstände der Zahlentripel (als Punkte im dreidimensionalen Raum aufgefaßt) von der Fläche ein Minimum annimmt. Unter Abstand" wird dabei nicht die Länge des Lotes eines Punktes auf die Fläche, sondern der Abstand in Z- bzw.
Z'- verstanden. Für die Güte der Kalibrierung unter Zugrundelegung des Polynoms ist es wesentlich, daß eine möglichst große Anzahl möglichst gleichmäßig über den Nenngebrauchsbereich des Meßgerätes verteilter und im Wege der Messung gewonnener Zahlentripel in die Kalibrierung einfließt.
Der insbesondere bei hohen Polynomgraden sehr erhebliche Rechenaufwand für die multiple Regressionsanalyse läßt sich ohne weiteres bei entsprechender Gestaltung des Gerätes auch innerhalb desselben ausführen.
Selbstverständlich kann die multiple Regressionsanalyse jedoch auch außerhalb des eigentlichen Meßgerätes durchgeführt werden, und zwar sowohl unter Zuhilfenclhme einer eigenständigen Recheneinheit als auch unter Zuhilfenahme einer im Bedarfsfall an das Meßgerät direkt anchließbaren Recheneinheit.
Die Berechnung der anzuzeigenden Meßwerte Z und Z' erfolgt dagegen auf jeden Fall im Meßgerät. Selbstverständlich ist es auch möglich, aus Konzentrationsverhältnis nd Verdünnungsverhältnis innerhalb des Gerätes die Absolut-Konzentrationen der beiden Meßgase zu berechnen und gleichzeiteg oder alternativ zur Anzeige zu bringen. Weiterhin ist es auch bnkbar, bei der Kalibrierung Z und Z' selbst als Absolut-Konzentrationen aufzufassen, so daß das Verfahren die Absolut-Eonzentrationcn der beiden Meßgase unmittelbar zur Anzeige bringt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Meßgeräts sind aus den Unteransprüchen 2 bis 5 bzw.
7 .is 12 zu ersehen.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßgeräts gemäß Figur 3 weiter ins einzelne gehend erläutert.
Figur 3 stellt eine Prinzipskizze des Meßgerätes in einer Ausführungsform dar, bei der Konzentrations- und Verdünnungsverhältnis im Meßgerät aus S1 und S2 berechnet und zur Anzeige gebracht werden, während die multiple Regressionsanalyse außerhalb des Gerätes durchgeführt wird.
Breitbandiges Infrarotlicht einer Lichtquelle 1 durchsetzt eine Meßküvette 2 und ein rotierendes Interferenzfilter 3 und bestrahlt einen breitbandigen Strahlungsdetektor 4.
Das Interferenzfilter 3 ist in einem Ring 5, der um die Ringachse 6 rotiert, so montiert, daß das Lot 7 auf das Filter 3 um die Achse 6 eine Taumelbewegung ausführt. Dabei ändert sich der Einfallswinkel (= Winkel zwischen den Achsen 7 und 8) kontinuierlich und zyklisch, d. h. die Wellenlänge, die zum Transmissionsmaximum des Interferenzfilters gehört, variiert somit in guter Näherung sinusförmig.
Dem konstanten Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 4 ist somit ein Wechselsignal überlagert, das in 9 und 10 verstärkt die beiden Filter 11 und 12 durchläuft und anschließend in 13 und 14 phasenempfindlich gleichgerichtet wird. Die beiden Gleichrichter 13, 14 werden über eine Lichtschranke 15, einen Verstärker 16 und einen Frequenzwandler 17 mit der einfachen bzw. der doppelten Wobbelfrequenz angesteuert, wobei die Phasenlage über 18 und 19 eingestellt werden kann.
Die beiden Ausgangssignale S1 und S2 stehen an den Buchsen 26 zu Kalibrierungszwecken an.
Die beiden Signale werden wechselweise von einem Umschalter 20 auf einen Analog/Digital-Wandler 21 gegeben und in einen Rechner eingespeist, der sie mit den Koeffizienten a aus dem Speicher 23 verknüpft und die Rechenergebnisse Z und Z' auf den Anzeigen 24 und 25 darstellt.

Claims

Patentansprüche ra VeFahren zur gleichzeitigen Messung des Konzentrationsverhäitnisses sowie des Verdünnungsverhältnisses zweier Gase, deren Absorptionsspektren sich im sichtbaren, im W- oder im IR-Bereich überlappen, in einer optisch inaktiven Gasmischung, auf der Basis der Wellenlängenmodulationsspektroskopie mit der Modulationsfrequenzw0, dadurch gekennzeichnet, daß beide Meßgrößen aus dem Ausgangssignal eines einzigen Meßaufnehmers das in zwei voneinander linear unabhängige Signalkomponenten S1 und S2 zerlegt wird, daß das Konzentrationsverhältnis Z und das Verdünnungsverhältnis Z' je als Polynom der Signalkomponenten S1 und S2 dargestellt werden, daß zur Kalibrierung des Meßgerätes die Signalkomponenten S1 und S2 von Kalibrierungsproben mit bekanntem Konzentrationsverhältnis Z und bekanntem Verdünnungsverhältnis Z', wobei beide Verhältnisse der Kalibrierungsproben +) bestimmt werden den gesamten Meßbereich möglichst gleichmäßig überdecken, gemessen werden, daß aus den so erreichten Zahlentripeln z, S1' S2 und Z', S1' 2 der Kalibrierungsproben im Wege der multiplen Regressionsanalyse die Polynom-Koeffizienten derart bestimmt werden, daß die Summe der Quadrate der Abstände der Zahlentripel in Z- bzw. Z'-Richtung von den durch die beiden Polynome im dreidimensionalen Raum beschriebenen Flächen ein Minimum ist, daß die multiple Regressionsanalyse mittels geeigneter elektronischer Schaltungen ausgeführt wird, daß die Polynom-Koeffizienten mittels geeigneter elektronischer Schaltun gen im Meßgerät gespeichert werden und daß das Konzentrationsverhältnis Z und das Verdünnungsverhältnis Z' im Meßgerät errechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des einzigen Meßaufnehmers in die beiden voneinander linear unabhängigen Signalkomponenten S1 und elektronisch zerlegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektronischen Zerlegung des Ausgangssignals des einzigen Meßaufnehmers zwei phasenempfindliche Gleichrichter verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden phasenempfindlichen Gleichrichter mit der Modulationsfrequenz uTo und der doppelten Modulationsfrequenz 2wrO angesteuert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung des Konzentrationsverhältnisses Z und des Verdünnungsverhältnisses Z' die Polynome verwendet werden.
6. Meßgerät zur Durchführung des Meßverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen einzigen Meßaufnehmer (4) zur Erzeugung eines elektrischen Signals aus einem optischen Signal, durch eine Einrichtung (13, 14) zur Zerlegung des elektrischen Signals in zwei voneinander linear unabhängige Signalkomponenten S1 und S2, durch einen der Zerlegungseinrichtung (13, 14) nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler (21), der wechselweise mit den Signalkomponenten S1 und S2 beaufschlagbar ist, durch eine dem Analog/Digital-Wandler (21) nachgeschaltete Rechnereinheit (22), der die Digitalwerte des Analog/Digital-Wandlers (21) sowie die Werte der Polynom-Koeffizienten zuführbar sind, und durch Anzeigeeinheiten (24, 25) für die in der Rechnereinheit (22) errechneten Werte Z und Z'.
7. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß di Einrichtung zur Zerlegung des einzigen elektrischen Signals in zwe voneinander linear unabhängige Signalkomponenten S1 und S2 in zwei phasenempfindlichen Gleichrichtern (13, 14) besteht.
8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem phasenempfindlichen Gleichrichter (13, 14) ein Frequenzfilter (11, 12) vorgeschaltet ist.
9. Meßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analog/Digital-Wandler (21) zwecks dessen wechselweiser Beaufschlagung mit den Signalkomponenten S1 und S2 ein insbesondere automatisch arbeitender Umschalter (20) vorgeschaltet ist.
10. Meßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnereinheit (22) zwei Ausgänge besitzt, an die je eine Anzeigeeinheit (24, 25) jeweils für einen der beiden errechneten Meßwerte Z und Z' angeschlossen ist.
11. Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden zur Zerlegung des elektrischen Signals in zwei voneinander linear unabhängige Signalkomponenten S1 und dienenden phasenempfindlichen Gleichrichtern (13, 14) eine Lichtschranke (15), ein dieser nachgeschalteter Verstärker (16) und ein wiederum diesem nachgeschalteter Frequenzwandler (17) zugeordnet sind, wobei von letzterem aus die beiden Gleichrichter (13, 14) mit der einfachen bzw. der doppelten Wobbelfrequenz ansteuerbar sind.
12. Meßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Frequenzwandler (17) und jedem der beiden phasenempfindlichen Gleichrichter (13, 14) eine Einstelleinrichtung (18, 19) für die Phasenlage angeordnet ist.