DE3021041C2

DE3021041C2 - Meßverfahren und -gerät zur gleichzeitigen Bestimmung des Konzentrations- und des Verdünnungsverhältnisses zweier Gase einer Gasmatrix

Info

Publication number: DE3021041C2
Application number: DE19803021041
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 2000 Hamburg Nestler
Original assignee: H MAIHAK AG 2000 HAMBURG DE; H MAIHAK AG 2000 HAMBURG
Current assignee: H Maihak AG
Priority date: 1980-06-03
Filing date: 1980-06-03
Publication date: 1982-04-15
Also published as: DE3021041A1

Description

P.Q·

ζ¹ = Σ

μ=0.

rens 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 S] und S₂, durch einen der Zerlegungseinrichtung (13, 14) nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler (21), der wechselweise mit den Signalkomponenten Si 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 Zund Z'.

7. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zerlegung des einzigen elektrischen Signals in zwei voneinander linear unabhängige Signalkomponenten Si und S₂ in zwei phasenempfindlichen Gleichrichtern (13, 14) besteht

8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem phasenempfindlichen Gleichrichter^, 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 Si 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 Zund 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 Si und S₂ 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.

verwendet werden.
6. Meßgerät zur Durchführung des Meßverfah-Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung des Konzentrationsverhältnisses sov/ie des Verdünnungsverhältnisses zweier optisch aktiver Gase in einer optisch inaktiven Gasmatrix 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

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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, CO2 und N2, durchgelassenen Strahlung eine dem Verhältnis IVI", d.h. dem Verhältnis der ersten Ableitung /' zur zweiten Ableitung /" der spekfalen Intensität^verteilung, proportionale Größe gemessen und als Maß für das Konzenirationsverhältnis von CO zu CO2 verwendet, wobei die Messung im Bereich des Absorptionsminimums zwischen den Absorptionsmaxima der beiden Komponenten CO und CO₂ vorgenommen wird. Bei diesem vorbekannten Verfahren wird nur ein einziger Aufnehmer verwendet, aus dessen Ausgangssignal die beiden Signale /' und /" gewonnen werden.

F i g. 1 zeigt das mit einer geeigneten Apparatur gemessene Signal /'in Abhängigkeit vom Signal /". 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 /77" ein verdünnungsunabhängiges Maß für das Konzentrationsverhältnis CO/CO2 darstellen. Dies gilt aber stets nur dann, wenn jede der in Fig. 1 dargestellten Meßkurven eine Gerade ist und sich gleichzeitig die zu verschiedenen CO/CO₂-Verhältnissen gehörenden Geraden alle im Null-Punkt /'-/"-Diagramms schneiden. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist gilt dies jedoch insbesondere für große Verdünnungen nicht; vielmehr läßt Fig. 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.

F i g. 2 zeigt die aus F i g. 1 gewonnenen Quotienten /'//"in Abhängigkeit vom CO/CO2-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 su einen normierten Ausgangswert zu erreichen. Die in Fig. 2 gestrichelt gezeichnete Kurve ist bei einein Verdünnungsverhältnis von 1 : 100 aufgenommen worden. Wie aus F i g. 2 ganz offensichtlich erkennbar ist, beeinflußt die Störgröße »Verdünnungsverhältnis« den Quotienten / /" erheblich. Nach dem Fehlerforipflan/L.ngsgesetz können sich der Verdünnungsfehler, der Linearisierungufehler und der Fehler bei der Multiplikation ungünstig zu einem verhältnismäßig groL'en Gesarrufc hler zusammenfinden.

Die vorliegende ErlinUung beruht auf der Erkenntnis, daß Fig. 1 bereits alle informationen enthält, die notwendig sind, um das Konzenirationsverhältnis der beiden Meßgase unabhängig voin Verdünnungsverhältnis darzustellen und gleichzeitig das Ycduniiungsverhältnis selbst als Meßergebnis zur Verfügung zu stellen. Offensichtlich enthält somit Fig. 1 auch gleichzeitig alle zur Darstellung der ^kbsolut 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 Aufgabe 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 S\ und S₂ gewonnen werden, denen mittels zwei Polynome jeweils eindeutig linearisierte und

normierte Meßgrößen Zund Z'zugeordnet werden. Zur Kalibrierung des Meßgerätes werden Meßproben gemessen, deren Konzentrationsverhältnis Z und Verdünnungsverhältnis Z'bekannt sind, und zwar unter Variation von Zund Z'. So werden Zahlentripel Z, Su S₂ und Z', Si, S₂ gewonnen, die ihrerseits Punkte im dreidimensionalen Raum darstellen.

Die durch Messung gewonnenen Zahlentripel lassen sich durch Polynome, z. B. in der Form

P. Q

ζ = Σ

•χ-Ο.
ι =0

/Μ.'¹

ζ' = Σ

1=0

approximieren.

Die Polynome stellen im allgemeinen 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 Zuhilfenahme einer eigenständigen Recheneinheit als auch unter Zuhilfenahme einer im Bedarfsfall an das Meßgerät direkt anschließbaren Recheneinheit.

Die Berechnung der anzuzeigenden Meßwerte Zund Z' erfolgt dagegen auf jeden Fall im Meßgerät.

Selbstverständlich ist es auch möglich, aus Konzentrationsverhältnis und Verdünnungsverhältnis innerhalb des Gerätes die Absolut-Konzentrationen der beiden Meßgase zu berechnen und gleichzeitig oder alternativ

zur Anzeige zu bringen. Weiterhin ist es auch denkbar, bei der Kalibrierung Z und Z' selbst als Absolut-Konzenlrationen aufzufassen, so daß das Verfahren die Absolut-Konzentrationen der beiden Meßgase unmittelbar zur Anzeige bringt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Meßgeräts sind aus den Unteransprüchen 2 bis 5 bzw. 7 bis 12 zu ersehen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßgeräts gemäß F i g. 3 weiter ins einzelne gehend erläutert.

Fig.3 stellt eine Prinzipskizze des Meßgerätes in einer Ausführungsform dar, bei der Konzentrationsund Verdünnungsverhältnis im Meßgerät aus Si und 52 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

^r> 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

ίο 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 Wobbeifrequenz angesteuert, wobei die Phasenlage über 18 und 19 eingestellt werden kann. Die beiden Ausgangssignale Si 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 β_μν aus dem Speicher 23 verknüpft und die Rechenergebnisse Zund Z'auf den Anzeigen 24 und 25 darstellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur gleichzeitigen Messung des Konzentrationsverhältnisses sowie des Verdünnungsverhältnisses zweier Gase, deren Absorptions-Spektren sich im sichtbaren, im UV- oder im IR-Bereich überlappen, in einer optisch inaktiven Gasmischung, auf der Basis der Wellenlängenmodulationsspektroskopie mit der Modulationsfrequenz ωό, dadurch gekennzeichnet, daß beide Meßgrößen aus dem Ausgangssignal eines einzigen Meßaufnehmers bestimmt werden, das in zwei voneinander linear unabhängige Signalkomponenten S\ und 52 zerlegt wird, daß das Konzentrationsverhältnis Zund das Verdünnungsverhältnis Z'je als Polynom der Signalkomponenten Si und £> dargestellt werden, daß zur Kalibrierung des Meßgerätes die Signalkomponenten Si und S₂ von Kalibrierungsproben mit bekanntem Konzentrationsverhältnis Z und bekanntem Verdünnungsverhältnis Z', wobei beide Verhältnisse der Kalibrierungsproben den gesamten Meßbereich möglichst gleichmäßig überdecken, gemessen werden, daß aus den so erreichten Zahlentripeln Z, S₁, S₂ und Z', Si, S₂ 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 Schaltungen 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 S\ und S₂ elektronisch zerlegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, 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 ωο und der doppelten Modulationsfrequenz 2ct>o 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

PQ

ζ = Σ

,. Si Sy

. «0