DE3544786A1 - Arrangement for determining the concentration of a gas, especially of the carbon dioxide content in a gas mixture - Google Patents

Arrangement for determining the concentration of a gas, especially of the carbon dioxide content in a gas mixture

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Abstract

In an arrangement for determining the concentration of gases by utilising the dispersion of the speed of sound, the phases of the two different measuring frequencies are directly compared in the phase detector 12, and the phase difference is used as a measure for the gas concentration (Figure 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, insbesondere des Kohlendioxidgehaltes in einem Gasgemisch bei dem die durch die Konzentration des Gases in einem Dispersionsbereich sich ändernde Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches zur Bestimmung der Gaskonzentration herangezogen wird, indem mindestens zwei Schallwellen bekannter Phasenlagen und unterschiedlicher Frequenzen über eine das Gas­ gemisch enthaltenden Meßstrecke geschickt und ihre Phasenlagen am Ende der Meßstrecke miteinander verglichen werden, wobei die Frequenzen der beiden Schallwellen so gewählt werden, daß die erste am unteren und die zweite am oberen Ende des Dispersionsbereiches liegt.The invention relates to a method for determining the concentration a gas, especially the carbon dioxide content in a gas mixture where by the concentration of the gas in a dispersion area changing speed of sound of the gas mixture to determine the Gas concentration is used by at least two sound waves known phase positions and different frequencies over one the gas Mix-containing measuring section sent and their phase positions at the end the measuring section are compared with each other, the frequencies of the two sound waves are chosen so that the first at the bottom and the second is at the upper end of the dispersion range.

Es ist aus dem Buch von L. Bergmann "Der Ultraschall" S. 523-533 (Hirzel Verlag, Stuttgart, 1954) bekannt, daß einige Gase, insbesondere Kohlen­ dioxid, 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 Schalldispersion zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid benutzt. Bei dem in dieser Patentschrift beschriebenen Verfahren liegen aber beide Meßfrequenzen rela­ tiv 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 treten bei dem Meßverfahren nach der Patentschrift US 39 81 176 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 Konzentrationsverhältnis der dispersions­ freien Gase ändert. Die Ursache ist, daß die Phasenverschiebung, bei gegebe­ ner Laufzeitänderung, bei der höheren Frequenz größer ist.It is from the book by L. Bergmann "The Ultrasound" pp. 523-533 (Hirzel Verlag, Stuttgart, 1954) known that some gases, especially coal dioxide, which have the property that from a certain frequency to the Speed of sound increases relatively sharply. In the patent US 39 81 176 describes a method that this sound dispersion used to measure the concentration of carbon dioxide. With the one in this However, the methods described in the patent both rela tiv closely adjacent almost in the section of the dispersion area, in where the speed changes the most. Therefore, through low extraneous gas additions, e.g. Water vapor and alcohols are large measurement errors caused. Furthermore occur in the measuring method according to the patent US 39 81 176 already large measurement errors when the basic running time on the measuring section changes because e.g. the temperature, the air pressure, the Length of the measuring section or the concentration ratio of the dispersions free gases changes. The cause is that the phase shift is given ner change in transit time at which the higher frequency is greater.

In der deutschen Patentschrift P 29 45 172 wird erstmals beschrieben, daß die Frequenzen am unteren und oberen Ende des Dispersionsbereiches liegen müssen, damit eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird. Auch die nach­ folgend beschriebene Erfindung nutzt diese Maßnahme aus.German patent P 29 45 172 describes for the first time that the frequencies at the lower and upper end of the dispersion range must lie so that a high measuring accuracy is achieved. Even after The invention described below takes advantage of this measure.

Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, die mit geringstem Aufwand die Gaskonzentration mißt, und zugleich eine hohe Meßgenauigkeit erreicht. The object of the method according to the invention is an arrangement to create, which measures the gas concentration with the least effort, and achieved a high level of measurement accuracy.  

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß im Phasendetektor direkt die Phasendifferenz zwischen der hohen und der tiefen Frequenz gemessen.To achieve this object, according to the invention, the phase detector is used directly measured the phase difference between the high and low frequencies.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Ausgangssignal des Phasendetektors gespeichert, wobei die Speicherzeit größer als die Peri­ odendauer der hohen Frequenz, vorzugsweise größer oder gleich der Peri­ odendauer der tiefen Frequenz ist.In a further embodiment of the invention, the output signal of the Phase detector stored, the storage time greater than the Peri or duration of the high frequency, preferably greater than or equal to the peri duration of the low frequency.

Diese Minimierung des Aufwandes ist besonders für den breiten Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung des Kohlendioxidgehaltes in Klein­ heizungsanlagen und Verbrennungsmotoren von Bedeutung, bei dem der Wirkungs­ grad und der Schadstoffausstoß mit einem Regelkreis optimiert wird.This minimization of the effort is particularly for the wide use of the Arrangement according to the invention for measuring the carbon dioxide content in small heating systems and internal combustion engines of importance, in which the effect degree and the pollutant emissions are optimized with a control loop.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:The invention is described below with reference to drawings. It shows:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 1 is a block diagram of the method according to the invention.

Fig. 2 Ein Phasendetektor nach der Erfindung. Fig. 2 is a phase detector according to the invention.

In der Anordnung nach Fig. 1 erzeugt der Frequenzgenerator 1 eine Frequenz von 3MHz. Diese Frequenz wird in dem Frequenzteiler 2 auf eine Frequenz von 60KHz geteilt. In der Addierstufe 3 werden die beiden Frequenzen zu einem Signal vereinigt und anschließend in dem Verstärker 4 verstärkt. Schließlich wird das Signalgemisch an den elektroakustischen Wandler 5 angelegt. Dieser sendet das Signalgemisch in Form von Ultraschallwellen aus.In the arrangement of FIG. 1, the frequency generator 1 generates a frequency of 3MHz. This frequency is divided in the frequency divider 2 to a frequency of 60 kHz. In the adder 3 , the two frequencies are combined to form a signal and then amplified in the amplifier 4 . Finally, the signal mixture is applied to the electroacoustic transducer 5 . This sends out the signal mixture in the form of ultrasonic waves.

Die Ultraschallwellen durchlaufen die Meßstrecke 6. Bei Anwesenheit des zu messenden Gases - z.B. Kohlendioxid - ist die Laufzeit der beiden Ultra­ schallwellen auf der Meßstrecke 6 unterschiedlich groß. Wegen der Disper­ sion der Schallgeschwindigkeit ist die Schallgeschwindigkeit für die hohe Frequenz größer als für die tiefe Frequenz. The ultrasonic waves pass through the measuring section 6 . In the presence of the gas to be measured - for example carbon dioxide - the transit time of the two ultrasonic waves on the measuring section 6 is different. Because of the dispersion of the speed of sound, the speed of sound is higher for the high frequency than for the low frequency.

Am Ende der Meßstrecke fallen die beiden Ultraschallwellen auf den elektro­ akustischen Wandler 7. Das Ausgangssignalgemisch dieses elektroakustischen Wandlers 7 wird im Verstärker 8 verstärkt. In der Frequenzweiche 9 werden die beiden Frequenzen getrennt. In dem Fall, daß der Phasendetektor 12 ein Eingangssignal mit steiler Flanke benötigt, werden die beiden Signale auf Schwellwertdetektoren 10, 11 gegeben. Die Ausgangssignale der Schwell­ wertdetektoren 10, 11 steuern den Phasendetektor 12. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 12 gelangt dann zur Meßwertanzeige 14, bzw. zur Klemme 15, an der der Istwert für einen Regler entnommen werden kann. Bei Bedarf kann zur Unterdrückung von Störungen der Tiefpaß 13 eingefügt werden.At the end of the measuring section, the two ultrasonic waves fall on the electro-acoustic transducer 7 . The output signal mixture of this electroacoustic transducer 7 is amplified in the amplifier 8 . The two frequencies are separated in the crossover 9 . In the event that the phase detector 12 requires an input signal with a steep edge, the two signals are given to threshold value detectors 10 , 11 . The output signals of the threshold value detectors 10 , 11 control the phase detector 12 . The output signal of the phase detector 12 then arrives at the measured value display 14 or at the terminal 15 , from which the actual value for a controller can be found. If necessary, the low-pass filter 13 can be inserted to suppress interference.

Wesentlich ist die Erkenntnis, daß man die in den beiden Signalen enthal­ tenen Informationen auch gewinnen kann, wenn man sie direkt dem Phasendetek­ tor zuführt, ohne daß man sie vorher durch Frequenzvervielfachung, Fre­ quenzteilung oder Frequenzmischung gleichfrequent gemacht hat.What is essential is the knowledge that it is contained in the two signals information can also be obtained if it is sent directly to the phase detection tor feeds without having previously by frequency multiplication, Fre has made frequency division or frequency mixing the same frequency.

Einen besonders einfachen Phasendetektor der hierfür verwendet werden kann zeigt Fig. 2. Mit den Schwellwertdetektoren 10, 11 werden die sinusförmigen Signale in rechteckförmige Signale umgewandelt. Das niederfrequentere Signal kippt mit seiner positiven Flanke ein Flip-Flop 16 (in diesem Beispiel ein D-Flip-Flop) in den Zustand, bei dem am Ausgang Q des Flip-Flops 16 eine positive Spannung steht. Das nächste positive Signal am Rücksatz-Ein­ gang R des Flip-Flops 16 kippt das Flip-Flop in die Lage zurück, bei der am Ausgang Q die Spannung null steht. Am Ausgang des Flip-Flops entsteht ein Impuls, der um so breiter ist, je größer die zeitliche Verzögerung der positiven Flanke des hochfrequenteren Signales relativ zur positiven Flanke des tieffrequenteren Signales ist. FIG. 2 shows a particularly simple phase detector that can be used for this purpose . The threshold value detectors 10 , 11 convert the sinusoidal signals into rectangular signals. With its positive edge, the lower-frequency signal flips a flip-flop 16 (in this example, a D flip-flop) into the state in which a positive voltage is present at the output Q of the flip-flop 16 . The next positive signal at the reset input R of the flip-flop 16 flips the flip-flop back into the position in which the voltage Q is zero at the output Q. A pulse arises at the output of the flip-flop, the wider the greater the time delay of the positive edge of the high-frequency signal relative to the positive edge of the low-frequency signal.

Der Ausgangsimpuls des Flip-Flops erscheint nur einmal je Periode des nie­ derfrequenteren Signales. Das bedeutet, das Tastverhältnis dieses Impulses ist sehr klein. Um trotzdem eine ausreichend große Ausgangsspannung des Phasendetektors zu bekommen, wird die Ausgangsspannung des Flip-Flops mit dem Kondensator 19 und dem Widerstand 17 während der Dauer des Ausgangsim­ pulses des Flip-Flops integriert. Damit während der Impulspausen die Kon­ densatorladung nicht abfließt, ist die Diode 18 eingefügt. Statt der Diode 18 kann auch ein Transistor in Emitterfolgeschaltung oder ein Feldeffekt­ transistor in Sourcefolgeschaltung verwendet werden. Der Strom über den Widerstand 20 baut die im Kondensator 19 gespeicherte Ladung ab. An der Klemme 21 liegt vorzugsweise eine negative Spannung. Grundsätzlich kann die Klemme 21 auch auf Massepotential liegen.The output pulse of the flip-flop appears only once per period of the signal, which is never more frequent. This means that the pulse duty factor of this pulse is very small. In order to nevertheless get a sufficiently large output voltage from the phase detector, the output voltage of the flip-flop is integrated with the capacitor 19 and the resistor 17 during the duration of the output pulse of the flip-flop. So that the capacitor charge does not drain off during the pulse pauses, the diode 18 is inserted. Instead of the diode 18, it is also possible to use a transistor in an emitter follower circuit or a field effect transistor in a source follower circuit. The current through the resistor 20 reduces the charge stored in the capacitor 19 . There is preferably a negative voltage at terminal 21 . In principle, the terminal 21 can also be at ground potential.

Die Entladezeit des Kondensators 19 über den Widerstand 20 ist wesentlich größer als die Aufladezeit über die Diode. Die maximale Aufladezeit über die Diode ist gleich der maximalen Impulsbreite am Ausgang des Flip-Flops und somit maximal gleich der Periodendauer der hohen Frequenz. Die minimale Entladungszeit über den Widerstand 20 muß größer als die Periodendauer der hohen Frequenz sein. Um eine möglichst große mittlere Ausgangsspannung zu erhalten wird diese Entladezeit vorzugsweise größer als die Periodendauer der tiefen Frequenz gemacht.The discharge time of the capacitor 19 via the resistor 20 is significantly longer than the charging time via the diode. The maximum charging time via the diode is equal to the maximum pulse width at the output of the flip-flop and therefore at most equal to the period of the high frequency. The minimum discharge time through resistor 20 must be greater than the high frequency period. In order to obtain the largest possible average output voltage, this discharge time is preferably made greater than the period of the low frequency.

Die Schaltung nach Fig. 2 kann abgewandelt werden, in dem statt der Diode 18 ein elektronischer Schalter eingefügt wird, der synchron mit der hohen Frequenz geöffnet und geschlossen wird. Die Widerstände 17 und 20 in Fig. 2 können durch Stromquellen ersetzt werden. Weiterhin kann das Flip-Flop durch einen anderen Impulsbreitenformer, der je Halbperiode oder Vollperiode der tiefen Frequenz einen Impuls liefert, ausgetauscht werden.The circuit according to FIG. 2 can be modified by inserting an electronic switch instead of the diode 18, which is opened and closed synchronously with the high frequency. The resistors 17 and 20 in Fig. 2 can be replaced by current sources. Furthermore, the flip-flop can be replaced by another pulse width shaper, which delivers a pulse per half-cycle or full cycle of the low frequency.

In der Meßanordnung nach Fig. 1 ist die hohe Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der tiefen Frequenz. In diesem Fall ist die Auswertung der Phasendifferenz besonders einfach. Grundsätzlich sind auch andere Frequenz­ verhältnisse möglich. Die Frequenzverhältnisse können sogar nichtrational sein, wenn die Frequenzen mit Hilfe von Frequenzmischern gewonnen werden.In the measuring arrangement according to Fig. 1, the high frequency is an integer multiple of the low frequency. In this case, the evaluation of the phase difference is particularly simple. In principle, other frequency ratios are also possible. The frequency ratios can even be non-rational if the frequencies are obtained with the help of frequency mixers.

Claims (8)

1. Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, insbesondere des Kohlendioxidgehaltes, in einem Gasgemisch, bei dem die durch die Konzentration des Gases in einem Dispersionsbereich sich ändernde Schall­ geschwindigkeit des Gasgemisches zur Bestimmung der Gaskonzentration herangezogen wird, indem mindestens zwei Schallwellen bekannter Phasenla­ gen und unterschiedlicher Frequenzen über eine das Gasgemisch enthalten­ den Meßstrecke geschickt und ihre Phasenlagen am Ende der Meßstrecke miteinander verglichen werden, wobei die Frequenzen der beiden Schall­ wellen so gewählt werden, daß die erste am unteren und die zweite am oberen Ende des Dispersionsbereiches liegt, dadurch gekennzeichnet, daß im Phasendetektor direkt die Phasendifferenz zwischen der hohen und der tiefen Frequenz gemessen wird.1. Arrangement for determining the concentration of a gas, in particular the carbon dioxide content, in a gas mixture in which the sound velocity of the gas mixture, which changes due to the concentration of the gas in a dispersion region, is used to determine the gas concentration by at least two sound waves of known phases and different frequencies over a gas mixture containing the measuring section and their phase positions are compared at the end of the measuring section, the frequencies of the two sound waves being chosen so that the first is at the lower and the second at the upper end of the dispersion range, characterized in that that the phase difference between the high and the low frequency is measured directly in the phase detector. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je Periode oder je Halbperiode der tiefen Frequenz der Phasendetektor eine Phasenmes­ sung durchführt und daß der analoge Momentanwert des Ausgangssignales des Phasendetektors jeweils am Ende dieser Phasenmessungen gespeichert wird und daß die Speicherzeit größer als die Periodendauer der hohen Frequenz, vorzugsweise größer oder gleich der Periodendauer der tiefen Frequenz ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that per period or one phase measurement per half period of the low frequency of the phase detector solution and that the instantaneous analog value of the output signal of the phase detector is stored at the end of these phase measurements and that the storage time is greater than the period of the high  Frequency, preferably greater than or equal to the period of the low frequency is. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal eines analog arbeitenden Phasendetektors über eine Diode einen Kondensa­ tor ladet und daß die Spannung am Kondensator das Ausgangssignal der Anordnung ist.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the output signal an analog phase detector using a condenser Tor loads and that the voltage across the capacitor is the output signal of the Arrangement is. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsbreiten­ former ein rechteckförmiges Ausgangssignal liefert und daß die Impuls­ breite proportional zur Phasendifferenz der beiden Eingangssignale ist und daß das rechteckförmige Ausgangssignal des Impulsbreitenformers eine Aufladung eines Kondensators bewirkt die etwa proportional zur Breite des rechteckförmigen Ausgangssignales ist und daß diese Aufladung nur während der Anwesenheit des rechteckförmigen Ausgangssignales erfolgt und daß eine Anordnung vorgesehen ist die den Kondensator kontinuierlich oder diskontinuierlich entladet.4. Arrangement according to claim 2, characterized in that a pulse width former provides a rectangular output signal and that the pulse width is proportional to the phase difference of the two input signals and that the rectangular output signal of the pulse width shaper charging a capacitor causes it to be approximately proportional to Width of the rectangular output signal is and that this charging only during the presence of the rectangular output signal and that an arrangement is provided that the capacitor is continuous or discharged discontinuously. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuier­ liche Entladung des Kondensators so langsam ist, daß sich ein neuer Gleichgewichtszustand der Kondensatorspannung nach einer Phasendif­ ferenzänderung erst nach einer Zeit einstellt die viel größer als eine Periodendauer der hohen Frequenz ist, vorzugsweise größer oder gleich der Periodendauer der tiefen Frequenz ist. 5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the continuous Liche discharge of the capacitor is so slow that a new one Equilibrium state of the capacitor voltage after a phase dif Reference change only after a time that is much larger than one Period duration of the high frequency is preferably larger or is equal to the period of the low frequency.   6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die diskontinuier­ liche Entladung des Kondensators in Zeitabständen erfolgt die viel größer als die Periodendauer der hohen Frequenz ist, vorzugsweise größer oder gleich der Periodendauer der tiefen Frequenz ist.6. Arrangement according to claim 4, characterized in that the discontinuous Liche discharge of the capacitor takes place at much greater intervals than the period of the high frequency is preferably larger or is equal to the period of the low frequency. 7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Impulsbreitenformer und dem Kondensator eine Diode oder ein elektro­ nischer Schalter angeordnet ist und daß diese Diode oder der elektro­ nische Schalter nur während der Dauer des rechteckförmigen Ausgangs­ signales des Impulsbreitenformers leitend ist.7. Arrangement according to claim 4, characterized in that between the Pulse width former and the capacitor a diode or an electro African switch is arranged and that this diode or the electro African switches only during the duration of the rectangular output signal of the pulse width shaper is conductive. 8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsbrei­ tenformer ein Flip-Flop ist und daß das Flip-Flop von der Signalflan­ ke des tieffrequenten Signales in den einen stabilen Zustand und von der Signalflanke des hochfrequenten Signales in den anderen stabilen Zustand gesetzt wird.8. Arrangement according to claim 4, characterized in that the pulse pulp tenformer is a flip-flop and that the flip-flop from the signal flan ke of the low-frequency signal in a stable state and from the signal edge of the high-frequency signal in the others stable state is set.
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