DE4311605C1 - Verfahren zur Bestimmung des Anteils brennbarer Gase in einem Gasgemisch sowie ihre Klassifizierung nach Gasklassenfaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Anteils brennbarer Gase in Luft mit Hilfe eines die Verbrennung katalytisch unterstützenden Nachweiselementes, welches in einer Meßschaltung eingesetzt ist, durch die das Nachweiselement in einer Heizphase zyklisch durch Anlegen einer Spannung nach einem vorgebbaren Strom-/Spannungsmuster erwärmt wird (Anregungsfunktion), worauf unter Anwesenheit des nachzuweisenden Gases eine von dem Nachweiselement gelieferte und durch eine Meßschaltung erfaßte Signalgröße in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt wird (Antwortfunktion), und im Verlauf auftretende charakteristische Eigenschaften der Antwortfunktion zur Festlegung des Anteils des nachzuweisenden Gases durch eine Auswerteschaltung herangezogen werden.

Ein derartiges Verfahren ist aus der EP-A 466 831 bekanntgeworden.

Bei dem bekannten Verfahren wird ein Widerstandselement mit einer katalytisch aktiven Oberfläche dem zu untersuchenden brennbaren Gasgemisch ausgesetzt, wobei der katalytische Sensor durch eine Stromquelle aufgeheizt wird. Der Sensor wird in einer ersten Phase (Heizphase) bei konstantem Strom aufgeheizt, bis ein vorgewählter Widerstand erreicht ist. Dieser wird in einer zweiten Phase konstant gehalten, bis sich ein stationärer Zustand einstellt. In einer sich anschließenden dritten Phase bleibt der Sensor für eine vorgewählte Zeit ausgeschaltet. Als Meßsignal dienen Spannung oder Strom im stationären Zustand. Mit diesem bekannten Verfahren kann nicht nur die Konzentration des Anteils von brennbaren Gasen in einem Gasgemisch angegeben werden, sondern über die Dauer der Heizphase kann außerdem eine Aussage über die Gasart gemacht werden.

In aller Regel reicht jedoch die Bestimmung der Dauer der Heizphase nicht aus, um die Gasmessung gasartspezifisch durchzuführen. Darüberhinaus bleibt es erforderlich, für jedes Gas einen spezifischen Gasartfaktor in das Auswertegerät einzugeben, wenn ein Mehrfachgasmeßgerät benutzt werden soll. Die Anzeige eines solchen Mehrfachgasmeßgerätes ist in der Regel auf eine Gasart kalibriert, so daß die Messung anderer Gasarten eine Korrektur dieses Kalibrierwertes erforderlich macht. Bei der Messung von explosiblen Gasgemischen ist es bekannt, diese Gasartfaktoren auf die Empfindlichkeit von Methan zu kalibrieren. Somit ist der Gasartfaktor von Methan gleich Eins gesetzt, so daß andere brennbare Gase einen Gasartfaktor besitzen, der sich aus dem Quotienten der Empfindlichkeit von Methan zur Empfindlichkeit des zu untersuchenden Gases oder Dampfes ergibt. Dadurch erhält man einen Gasartfaktor von 1,9 für Methanol, 1,5 für Wasserstoff, usw.

Aus der DE 41 39 721 C1 ist ein weiterer Nachweissensor bekannt, dessen gasempfindliche Schicht auf eine veränderliche Betriebstemperatur gehalten wird, bei der mittels einer Leitfähigkeitsmessung der zeitliche Verlauf des Sensorsignals zur Bestimmung des nachzuweisenden Gasanteils in einem Gasgemisch herangezogen wird. Die Betriebstemperatur wird dabei periodisch verändert, und die daraus resultierende Veränderung des zeitlichen Verlaufs des Sensorsignals gibt Aufschluß über niedrige und hohe Reaktionsgeschwindigkeiten der beteiligten Gaskomponenten, so daß eine gewisse Selektion von Gasarten vorgenommen werden kann.

Bei einem Nachweissensor nach der DE 36 35 513 A1 wird sowohl das Wärmetönungsverfahren als auch das Wärmeleitungsverfahren zur Bestimmung eines brennbaren Gases herangezogen. Das Sensorelement wird auf die jeweilige, für das Meßverfahren erforderliche Betriebstemperatur gebracht, und der Verlauf des Sensorsignals in bezug auf vorgegebene Grenzwerte beobachtet und ausgewertet.

Um den Wertbereich der möglichen Gasartfaktoren einzuschränken, soll das bekannte Verfahren so verbessert werden, daß aus dem Verlauf der Antwortfunktion gleichzeitig eine Klassifizierung der untersuchten Gasgemische anhand von Gasklassenfaktoren erfolgen kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Anregungsfunktion einen derartigen Funktionsverlauf zeigt, daß die Antwortfunktion ein Maximum durchläuft, und daß das Zeitintervall vom Beginn des Anstiegs bis zum Erreichen des Maximums festgestellt und mit einer Zeitintervallgrenze verglichen wird, und daß je nach Lage des Zeitintervalls relativ zu der Intervallgrenze der Auswerteschaltung ein Gasklassenfaktor zugeführt wird, mit welchem die Bestimmung des Anteils mit einer Klassifizierung des erfaßten Gases gekoppelt wird.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ein einfaches Kriterium angegeben wird, mit welchem die möglichen zu erfassenden Gasarten in zwei oder mehr Klassen eingeordnet werden können, welche jeweils für sich ein Referenzgas zur Bestimmung des Gasartfaktors beinhalten. Bei der ersten Klasse von Gasarten ist dies beispielsweise nach wie vor Methan mit einem Gasartfaktor von 1,0, bei der zweiten Klasse ist das Referenzgas Methanol, dessen Gasartfaktor ebenfalls zu 1,0 gesetzt wird. Damit werden alle Gasarten, die gemäß der Erfindung beispielsweise die Zeitintervallgrenze unterschreiten, ebenfalls der zu Methanol gehörenden Klasse zugeordnet, so daß deren Gasartfaktoren nunmehr auf den neuen Gasartfaktor 1,0 für Methanol rückbezogen werden. Die Menge der Gasartfaktoren ist auf zwei Klassen oder Gruppen verteilt, so daß der Wertebereich der Gasartfaktoren in jeder Klasse deutlich reduziert ist. Durch das Bezugsgas Methanol mit einem neuen Gasartfaktor 1 werden die übrigen Gasartfaktoren der anderen, in dieselbe Klasse fallenden Gase um 1,9 verringert, da bei einem Bezug von Methanol auf Methan der Gasartfaktor für Methanol 1,9 gewesen ist, jetzt jedoch auf 1,0 reduziert wird. Damit einhergehend ist eine bessere Auswertegenauigkeit für die in die jeweilige Klasse fallenden Gasarten erzielt worden.

Durch die Festlegung der Zeitintervallgrenze und der Lage des Maximums der Antwortfunktion relativ zu dieser Grenze ist eine Unterteilung der zu untersuchenden Gase in zwei Gasartklassen möglich: z. B. bedeutet die Überschreitung der Intervallgrenze eine Zuordnung in die Gasartklasse, für die Methanol als Referenzgas mit einem Gasartfaktor Eins dient, die Unterschreitung der Intervallgrenze bedeutet eine Zuordnung in diejenige Gasartklasse, für die Methan als Referenzgas mit einem Gasartfaktor Eins dient. Die Intervallgrenze kann in kleinere Abschnitte mit jeweils zugehörigen, feiner aufgeteilten Zeitintervallabschnitten aufgeteilt bzw. erweitert werden, um die Grenzen feiner aufzuteilen und eine feinere Gasartklassen-Unterteilung zu erhalten.

Die Anregungsfunktion kann eine Sprungfunktion, eine Treppenfunktion, eine Rampenfunktion oder eine Kombination von diesen sein. Eine typische Zeitintervallgrenze für die Mehrzahl der zu erfassenden brennbaren Gase liegt zwischen 1 und 10 Sekunden.

Die Unterteilung in zwei Gasartklassen, die eine bezogen auf Methan, die andere bezogen auf Methanol, resultiert in einer Liste von Gasen der Klasse 1, die einen Gasartfaktor zwischen 1,4 und 2,7 besitzen, und eine Liste von Gasarten in Klasse 2, welche einen Gasartfaktor zwischen 1,2 und 2,0 aufweisen.

Es versteht sich, daß die Festlegung einer anderen Zeitintervallgrenze auch eine entsprechend andere Klasseneinteilung nach sich ziehen wird. Außerdem kann statt dem Gas Methanol ein anderes Gas aus der Menge der brennbaren Gase gewählt werden, welches als Bezugsgas für die Bestimmung der Gasartfaktoren gelten soll. Dies hängt im wesentlichen von der Art der zu erwartenden nachzuweisenden Gasarten ab. Neben dem zeitlichen Eintritt des Maximums der Antwortfunktion kann auch die Steilheit der Anstiegsrampe oder auch die Anzahl der erreichten Maxima herangezogen werden. Die Zeitintervallgrenze wird darauf abgestimmt und entsprechend festgelegt.

Die Einteilung der zu untersuchenden Gase in zwei oder mehrere unterschiedliche Gasartklassen nach dem genannten Kriterium würde es auch schon ausreichend erscheinen lassen, bestimmte Arten von brennbaren Gasen zu unterscheiden, ohne sofort die einzelne spezifische Gasart aus einem Gasgemisch zu differenzieren.

Das Erreichen eines Maximums der differenzierten Antwortfunktion entspricht dem Beginn der katalytischen Verbrennung an dem Nachweiselement (Pellistor), und entsprechend wird beim Abschalten der Anregungsfunktion, d. h. beim Abschalten des Heizstromes des Pellistors, ein Erlöschpunkt erreicht, an dem die Verbrennung nicht mehr stattfindet. Diese beiden Eigenschaften können herangezogen werden, um mit Hilfe eines weiteren, einzeln betriebenen Nachweiselementes, (also ohne ein zusätzliches Kompensatorelement in einer Brückenschaltung vorzusehen) ebenfalls mit einer Anregungsfunktion in bezug auf das Strom-/Spannungsmuster zu beaufschlagen. Durch Differentialbildung der Antwortfunktion kann der Einsatzpunkt (Maximum) und der Erlöschpunkt (Minimum) erfaßt werden, deren Lage auf der Zeitachse relativ zueinander zur Bestimmung des Anteils und der Gasart herangezogen wird. Hierbei kann wiederum eine Klasseneinteilung in bezug auf Gestalt der Antwortfunktion (Anzahl und Höhe der Maxima, d. h. Steilheit am Einsatzpunkt bzw. Erlöschpunkt der Antwortfunktion) erfolgen. Andererseits kann die Fläche unter der Antwortfunktion zwischen Einsatzpunkt und Erlöschpunkt berechnet werden und mit der Fläche der Antwortfunktion aufgrund der Beaufschlagung des Pellistors mit einem inerten Kalibriergas (d. h. ohne Anwesenheit eines brennbaren Gasanteils) in bezug zueinander gesetzt werden. Der einfachste Vergleich zwischen der Antwortfunktion eines brennbaren Gasgemisches und eines inerten Kalibriergases besteht in der Differenzbildung aus beiden Flächen unter den Antwortfunktionen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die Antwortfunktion des Spannungsverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 2 das Differential der Antwortfunktion aus Fig. 1,

Fig. 3 die Antwortfunktion des Stromes in Abhängigkeit von der Zeit mit dem Einsatzpunkt und dem Erlöschpunkt.

In Fig. 1 ist die Antwortfunktion (1) für den Nachweis von Butanol in einer Konzentration von 100% (UEG) dargestellt. Die Einheiten für Spannung in Volt sind beliebig, der zeitliche Verlauf überstreicht einen Zeitraum von 20 Sekunden. In der Fig. 1 sind die ersten 12 sec dargestellt. Während dieser Zeit ist die nicht dargestellte Anregungsfunktion wirksam, nämlich zum Zeitpunkt T = 0 wird der Strom von 0 auf 100 Milliampere durch das katalytisch wirksame Nachweiselement eingeschaltet und während eines Zeitraumes von 20 Sekunden aufrechterhalten, und zum Zeitpunkt T = 20 auf 0 wieder abgeschaltet. Entsprechend steigt die Spannung in Fig. 1 auf ein Maximum an, stabilisiert sich auf einen gleichbleibenden Sättigungswert, und fällt auf den ursprünglichen Ausgangspunkt zurück. Eine Antwortfunktion (2) für ein Kalibriergas mit einer Konzentration von entsprechend 0% UEG ist gestrichelt dargestellt. Zum Zeitpunkt T = 7 ist eine Intervallgrenze (3) und einem Intervallabschnitt (33) mit jeweils einer strichpunktierten Linie dargestellt, die als Unterscheidungskriterium für die Einteilung der nachzuweisenden Gasarten in solche Klassen angibt, deren Maximum unterhalb bzw. oberhalb dieser Intervallgrenze (3) liegen.

In Fig. 2 ist zur Einteilung in die genannten Gasartklassen das Differential aus dem Kurvenverlauf der Antwortfunktion (1) aus Fig. 1 dargestellt. Für die Gasart Butanol mit einer Konzentration von 100% UEG ist die ausgezogene Differentialkurve (4) gezeigt, deren Maximum bei etwa 3 Sekunden erreicht ist, so daß es unterhalb der Intervallgrenze (3) von 7 Sekunden liegt, und somit in die zweite Gasartklasse einzuordnen ist, deren Antwortfunktionsmaximum die Intervallgrenze (3) überschreitet. Die gestrichelt gezeichnete Differentialantwortfunktion (5) entspricht der Antwortfunktion (2) aus Fig. 1.

In Fig. 3 ist die Antwortfunktion (6) eines katalytisch wirksamen Nachweiselementes auf die Aufprägung einer aufsteigenden Rampe des Stromes über dem Nachweiselement. Der resultierende Spannungsverlauf weist einen Einsatzpunkt (E) auf, bei dem die katalytische Verbrennung einsetzt und aufrechterhalten bleibt, sowie einen Erlöschpunkt (L), bei welchem nach erfolgter Abschaltung des Stroms auch die katalytische Verbrennung erlischt. Gestrichelt gezeichnet ist die Antwortfunktion (7) bei Beaufschlagung des katalytischen Nachweiselementes mit einem inerten Kalibriergas, d. h. ohne Anwesenheit eines brennbaren Gasanteils. Zur Einteilung bzw. Klassifizierung der verschiedenen Gasarten wird die Fläche unterhalb der Antwortfunktion (6) ermittelt und von dieser die Fläche unterhalb der Antwortfunktion (7) abgezogen. Die verbleibende Differenz ist für jede Gasart unterschiedlich und kann somit zur Klassifizierung in zwei oder mehrere Gruppen von Gasarten herangezogen werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung des Anteils brennbarer Gase in Luft mit Hilfe eines die Verbrennung katalytisch unterstützenden Nachweiselementes, welches in einer Meßschaltung eingesetzt ist, durch die das Nachweiselement in einer Heizphase zyklisch durch Anlegen einer Spannung nach einem vorgebbaren Strom-/Spannungsmuster erwärmt wird (Anregungsfunktion), worauf unter Anwesenheit des nachzuweisenden Gases eine von dem Nachweiselement gelieferte und durch eine Meßschaltung erfaßte Signalgröße in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt wird (Antwortfunktion), und in deren Verlauf auftretende charakteristische Eigenschaften der Antwortfunktion zur Festlegung des Anteils des nachzuweisenden Gases durch eine Auswerteschaltung herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsfunktion einen derartigen Funktionsverlauf zeigt, daß die Antwortfunktion (1, 4, 6) ein Maximum durchläuft, und daß das Zeitintervall vom Beginn des Anstiegs bis zum Erreichen des Maximums festgestellt und mit einer Zeitintervallgrenze (3) verglichen wird, und daß je nach Lage des Zeitintervalls relativ zu der Intervallgrenze (3) der Auswerteschaltung ein Gasklassenfaktor zugeführt wird, mit welchem die Bestimmung des Anteils mit einer Klassifizierung des erfaßten Gases gekoppelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitintervallgrenze (3) in mehrere Zeitintervallabschnitte (33) unterteilt ist, und daß die Lage des Zeitintervalls innerhalb der Zeitintervallabschnitte (33) einen Gasklassenfaktor festlegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitintervallgrenze (3) und die Zeitintervallabschnitte (33) in einem Bereich von T = 1 Sekunde bis T = 10 Sekunden festgelegt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Gasklassenfaktor einen solchen Wert besitzt, daß mit ihm eine erste Klasse von Gasarten festgelegt wird, deren Gasartfaktoren auf den zu dem Wert Eins normierten Gasartfaktor von Methan bezogen ist, und daß ein zweiter Gasklassenfaktor einen solchen Wert besitzt, daß mit ihm eine zweite Klasse von Gasarten festgelegt wird, deren Gasartfaktoren auf den zu dem Wert Eins normierten Gasartfaktor von Methanol bezogen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klasse der mit dem auf Methan normierten Gasartfaktoren die Gase Ethan (1,4), Propan (1,8), Butan (2,2), Ethin (2,3), Benzol (2,6), Cyclohexan (2,7), und daß die Klasse der mit dem auf Methanol normierten Gasartfaktoren die Gase Ethanol (1,2), Aceton (1,3), 2-Butanon (1,5), Diethylether (1,5), Ethylacetat (1,5), n-Hexan (1,5), 2-Propanol (1,5), n-Heptan (1,6), Toluol (1,6), n-Nonan (1,7), orto-Xylol (1,7), n-Octan (1,9), 1-Butanol (2,0) umfaßt, wobei die in Klammern angegebenen Dezimalzahlen den zugehörigen Gasartfaktor bezeichnen.

6. Verfahren zur Bestimmung des Anteils brennbarer Gase in Luft mit Hilfe eines die Verbrennung katalytisch unterstützenden Nachweiselementes, welches in einer Meßschaltung eingesetzt ist, durch die das Nachweiselement in einer Heizphase zyklisch durch Anlegen einer Spannung nach einem vorgebbaren Strom-/Spannungsmuster erwärmt wird (Anregungsfunktion), worauf unter Anwesenheit des nachzuweisenden Gases eine von dem Nachweiselement gelieferte und durch eine Meßschaltung erfaßte Signalgröße in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt wird (Antwortfunktion), und in deren Verlauf auftretende charakteristische Eigenschaften der Antwortfunktion zur Festlegung des Anteils des nachzuweisenden Gases durch eine Auswerteschaltung herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch wirksame Nachweiselement mit einer Anregungsfunktion beaufschlagt wird, deren Antwortfunktion (6) differenziert wird, und daß das Differential zumindest ein Maximum (Einsatzpunkt E) und gegebenenfalls ein Minimum (Erlöschpunkt L) aufweist, deren Lage auf der Zeitachse zur Bestimmung des Anteils und der Gasart herangezogen wird.

7. Verfahren zur Bestimmung des Anteils brennbarer Gase in Luft mit Hilfe eines die Verbrennung katalytisch unterstützenden Nachweiselementes, welches in einer Meßschaltung eingesetzt ist, durch die das Nachweiselement in einer Heizphase zyklisch durch Anlegen einer Spannung nach einem vorgebbaren Strom-/Spannungsmuster erwärmt wird (Anregungsfunktion), worauf unter Anwesenheit des nachzuweisenden Gases eine von dem Nachweiselement gelieferte und durch eine Meßschaltung erfaßte Signalgröße in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt wird (Antwortfunktion), und in deren Verlauf auftretende charakteristische Eigenschaften der Antwortfunktion zur Festlegung des Anteils des nachzuweisenden Gases durch eine Auswerteschaltung herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche unterhalb der Antwortfunktion (6) bestimmt und in Relation mit einer Kalibrierantwortfunktion (7) gebracht wird.