DE69029802T2

DE69029802T2 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung eines flüssigkeitsgemisches, analyse der bestandteile und regelung der zusammensetzung

Info

Publication number: DE69029802T2
Application number: DE69029802T
Authority: DE
Inventors: Sanjay Gidwani; Anthony Pearson; John Urmson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-21
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2010-05-19
Also published as: DE69029802D1; EP0478594A1; JPH04506114A; EP0478594B1; US5060507A; AU5677090A; WO1990015988A1; EP0478594A4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Überwachen und Steuern der Zusammensetzung von Fluidgemischen, insbesondere betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung unter Verwendung nahezu gleichzeitiger Messungen, die aus der Schallgeschwindigkeit in den separaten Komponenten dieser Fluidgemische mit einer Vergleichslesemethode abgeleitet werden.
Einige industrielle Prozesse zum Herstellen elektronischer Bauelemente, beispielsweise das chemische Dampfniederschlagungsverfahren, die Epitaxie, das reaktive Ionenätzen und die Dotierstoffdiffusion, erfordern exakte Fluidgemische. Derzeit werden Fluidgemische dadurch erzeugt, daß man gesteuerte Ströme reiner Fluide oder von Fluidmischungen vermengt, wobei die einzelnen Ströme entweder durch mechanische oder durch elektronisch betätigte Durchtlußreguliereinrichtungen steuert. Die vorliegende Erfindung kann dazu eingesetzt werden, die Fluidzusammensetzungen zu ermitteln, die sich aus dem Mischen gesteuerter Strömungen der Bestandteilsfluide ergeben, um dadurch den Betrieb der Durchflußreguliereinrichtungen zu überwachen.
Vor der vorliegenden Erfindung wurde die beste zum Stand der Technik zählende Fluidzusammensetzungssteuerung durch den Einsatz von Massenstromsteuerungen erreicht. Während solche Bauelemente eine deutliche Verbesserung gegenüber früher eingesetzten Fluidstromsteuereinrichtungen darstellen, leiden sie jedoch an inhärenten Problemen. Das bedeutendste dieser Probleme ergibt sich aus dem Umstand, daß das Abfühlen eines Fluidmassenstroms erreicht wird durch den Wärmeübergang durch ein metallisches Kapillarröhrchen, welches mit den betroffenen oder in den Prozessen verwendeten korrosiven Fluiden reagieren kann oder möglicherweise mit Fremdstoffen überzogen wird, in welchem Fall die Sensoreinrichtungen einer Meßwertablesedrifi unterliegen. Dies erfordert ein häufiges Entfernen der Sensoreinrichtungen aus den Prozessen zum Zweck der Reinigung und Neu-Kalibrierung. Ein weiteres Hauptproblem besteht darin, daß die besten herkömmlichen Sensoreinrichtungen eine Genauigkeit von lediglich 0,5% des vollen Nennstroms erreichen.
Die EP-A-0 233 047 offenbart eine Lösungskonzentrationsrneßvorrichtung mit einem Behälter zur Authahme einer Lösung, einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger. Der Sender und der Empfänger sind an den Wänden des Behälters derart gelagert, daß ein von dem Sender kommendes Signal eine in dem Behälter befindliche Lösung durchquert, um von dem Empfänger nachgewiesen zu werden. Es sind Mittel vorgesehen, um die Zeitspanne zwischen dem Senden und dem Nachweisen eines Signals zu messen. Der Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche basiert auf der Offenbarung dieser Druckschrift.
Die WO-A-87/02770 offenbart eine Vorrichtung zum Messen des spezifischen Gewichts einer Flüssigkeit. Die Vorrichtung enthält einen Ultraschallimpulssender und einen davon um eine bekannte Wegstrecke getrennt angeordneten Empfänger, eine Einrichtung zum Einrichten der Durchgangszeit von Impulsen zwischen Sender und Empfänger, einen Temperaturfühler zum Messen der Flüssigkeitstemperatur und eine Recheneinrichtung zum Ableiten des spezifischen Gewichts der Flüssigkeit aus der Durchgangszeit und der Temperatur.
Die US-A-4 380 167 offenbart eine Vorrichtung zum Nachweisen der Menge eines spezifischen Gases in einer Trägerflüssigkeit bei Vorhandensein von Wasserdampf Das Gas und das Trägergas werden durch eine Pfeifkammer geleitet, die eine Resonanzfrequenz erzeugt. Die Resonanzfrequenz ändert sich als Funktion des Anteils des Gases, der Temperatur und des Wasserdampfes. Es wird ein Ausgangssignal erzeugt, bei dem es sich um eine Funktion der Resonanzfrequenz handelt. Eine Korrektureinrichtung fühlt den Wasserdampf und die Temperatur und erzeugt ein Ausgangssignal, bei dem es sich um eine Funktion des Wasserdampfs und der Temperatur handelt. Eine Empfangseinrichtung empfängt die Ausgangssignale und erzeugt ein resultierendes Signal, welches eine Funktion lediglich des Gasanteils darstellt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Analysevorrichtung zum Überwachen und zum Steuern der Bestandteile, der Zusammensetzung und/oder der Strömung eines Fluids durch Messungen geschaffen, die von Schallgeschwindigkeit abhängen, umfassend:
mindestens einen akustischen Analysator, der eine Fluidprobenaufnahmekammer mit einem darin angeordneten Schallwellenführungrohr aufweist;
eine Einrichtung zum Einleiten eines Fluidprobenstroms in die Kammer und zum Austragen des Fluidstroms aus der Kammer;
einen einen an einem Ende der Kammer angeordneten Wandler enthaltenden Schallstoßgenerator, der dazu ausgebildet ist, einen Schallstoß in dem Schallwellenlührungsrohr ansprechend auf einen elektrischen Impuls zu erzeugen;
einen einen an dem anderen Ende der Kammer angeordneten Wandler aufweisenden Schallstoßempfänger, der dazu ausgebildet ist, einen Schallstoß, der die Länge des Führungsrohrs durchlaufen hat, in elektrische Impulse umzuwandeln; und
eine Einrichtung zum Messen der Zeitspanne zwischen dem elektrischen Impuls, welcher den Schallstoß auslöst, und den zugehörigen elektronischen Impulsen, die von dem Schallstoßempfänger erzeugt werden; dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin aufweist:
eine Einrichtung, die sämtliche Fluidproben während des Analysevorgangs auf gleicher Temperatur hält;
eine Einrichtung zum Verhältnismaß-Vergleichen der Zeitspannen für verschiedene Fluidproben auf der Grundlage der Verhältnisse der Laufzeiten des Schallstoßes durch das Fluid in dem Analysator; und
eine Einrichtung zum Aufzeichnen und zum Verarbeiten der Vergleichsergebnisse.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen der Bestandteile und der Zusammensetzung von Gasgemischen geschaffen, welches die Schritte aufweist:
Einleiten einer zu überwachenden Probe eines Gasgemisches in einem akustischen Analysator;
Erzeugen von Schall in der überwachten Probe; und
Bestimmen der Laufzeit einer Schallwelle in der überwachten Probe oder der Frequenzperiode für eine Schallwelle in dem Analysator; gekennzeichnet durch folgende weiteren Schritte:
Einleiten einer Probe eines Referenz-Gasgemisches in denselben oder einen anderen Analysator, wobei die Referenzgasprobe und die überwachte Gasprobe gleiche Temperaturen haben;
Erzeugen von Schall in der Referenzprobe;
Bestimmen einer zeitbezogenen Messung des Schalls in der Referenzprobe, wobei die Messungen in beiden Bestimmungsschritten vom gleichen Typ sind;
Erzeugen eines ersten Verhältnisses der zeitbezogenen Messung der Referenzprobe und derjenigen der überwachten Probe;
Vergleichen des erzeugten Verhältnisses mit Einstellpunkten; und
Alarmgabe oder Btätigung von Stromsteuermechanismen, falls das Verhältnis so schwankt, daß es über vorab ausgewählte Abweichungen gegenüber den Einstellpunkten hinausgeht.
Das überwachte Gasgemisch wird vorzugsweise anschließend durch einen geeigneten chemischen Fangstoff geleitet, um aus ihm einen spezifischen Gasbestandteil selektiv und vollständig zu entfernen, und es wird ein zweites Verhältnis bestimmt, welches mit dem ersten Verhältnis verglichen wird, um die Konzentration der abgefangenen Gasspezies zu bestimmen.
Alternativ wird das überwachte Gasgemisch vorzugsweise dadurch geändert, daß ihm ein spezifischer Gasbestandteil hinzugegeben wird und ein zweites Verhältnis bestimmt wird, welches mit dem ersten Verhältnis verglichen wird, um die Konzentration der hinzugefügten Gasspezies zu bestimmen.
Die im folgenden beschriebene und dargestellte Ausführungsform der Analysevorrichtung ist in hohem Maße korrosionsbeständig, da die Sensorelemente keine Berührung mit den Prozeßgasen haben. Die erzielte Genauigkeit liegt in der Größenordnung von 0,01% der aktuellen Fluidzusammensetzung bei den meisten Fluidgemischen in einem viel ausgedehnteren Bereich von 0% bis 100% jeglicher Fluidkomponente des Gemisches. Ein weiterer Vorteil leitet sich aus dem Umstand ab, daß die Schallgeschwindigkeit für ein stabiles Fluid ein konstanter Wert ist, und aus diesem Grund ist das erfindungsgemäße offenbarte Instrument so ausgebildet, daß es nur auf Schallgeschwindigkeit anspricht und keine Neu-Kalibrierung bezüglich einer Norm benötigt, um eine Driftkorrektur vorzunehmen.
Ein weiterer Einsatz der vorliegenden Erfindung betrifft unterschiedlichen Stand der Technik. In jenen Prozessen, die den Einsatz von Substanzen mit geringem Dampfdruck erfordern, wird ein Trägerfluid über eine feste oder flüssige Quelle der Substanz geleitet, die auf einer gesteuerten Temperatur gehalten wird, um auf diese Weise einen gesteuerten Dampfdruck und, angenommener Weise, gesteuerte Molanteile der Bestandteile des Trägerfluids einzustellen. Anstatt aber auf diese Methode bei der Bestimmung von Molenbrüchen zurückzugreifen, besteht ein großer Bedarf an der Verfügbarkeit einer direkten Messung dieser Molenbrüche. Dies ist ein spezielles Problem in solchen Prozessen, die Alkylmetalle oder organische Formen von Substanzen wie Arsen, Cadmium, Gallium, Indium, Quecksilber, Phosphor, Tellur, Zink und anderen Stoffen verwenden. Derzeit benötigen Forscher, die sich mit der Entwicklung von Galliumarsenid- und Indiumphosphid- Bauelementtechnologie befassen, kontinuierliche Daten bezüglich der Molenbrüche von Substanzen, die ihren Reaktoren tatsächlich zugeleitet werden.
Vor der vorliegenden Erfindung blieb dieser Bedarf an Daten entweder unentsprochen, oder es wurde zur chemischen Bestandteilsanalyse ein Massenspektrometer eingesetzt. Das Massenspektrometer hängt von exakt gesteuerten Bedingungen der Temperatur, des magnetischen Flusses, des Vakuums und der Spannung ab, um die gesteuerte Abtastgeschwindigkeit, die molekulare Fragmentierung und die Fragment-Klassifizierung zu erreichen, die für reproduzierbare Daten unerläßlich sind. All dies erfordert eine komplizierte Apparatur, die für Fehlfünktionen anfällig ist. Außerdem ist die quantitative Analyse mittels Massenspektroskopie eine empirische Methode, die eine periodische Neu-Kalibrierung erfordert. Die vorliegende Erfindung kann dazu eingesetzt werden, die Molenbrüche von Niederdampfdruck- Substanzen in dem Trägergas direkt zu überwachen und stellt damit eine deutliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Einfachheit des Betriebs dar, weil sie relativ billig, einfach und robust ist sowie kein Vakuum und keine Neu-Kalibrierung erfordert.
Eine noch weitere Einsatzmöglichkeit der vorliegenden Erfindung betrifft noch einen anderen Stand der Technik. Bei jenen Prozessen, bei denen hochreine Gase in ein Reaktorgefäß geleitet werden müssen, wird große Sorgfalt darauf verwandt, das Eindringen von kontaminierenden Chemikalien, beispielsweise Luftbestandteilen, zu unterbinden, da die hochreinen Gase aus Druckgasquellen oder Verdampfüngsquellen durch Leitungen den Verarbeitungskammern zugeleitet werden. Eine Mikrokontamination dieser Prozesse als Ergebnis sowohl von Lufteintritt als auch Teilchenbildung stand in direkter Beziehung zu Defekten in den durch diese Prozesse gefertigten Halbleiterbauelementen, und die Quellen für eine derartige Mikrokontaminierung müssen rigoros ausgeschaltet werden. Dies ist ein spezielles Problem bei der Fertigung von Bauelementen mit einer Geometrie im Sub- Mikrometerbereich. Vor der vorliegenden Erfindung erfolgte die Überwachung eines Lufteintritts durch Probenentnahme mit anschließender Analyse des hochreinen Gases zwecks Nachweises von Kohlenwasserstoffen, Sauerstoff und Wasser mit Hilfe getrennter Analysevonrichtungen. Jede dieser Analysevorrichtungen besitzt ihre eigenen Wartungs- und Eichvorschriften, und die Probenentnahme selbst kann Ursache für eine Kontaminierung sein. Die vorliegende Erfindung kann dazu eingesetzt werden, ein solches Eindringen zu überwachen. Sie kann aus inerten Stoffen aufgebaut sein, die nicht mit den Prozeßfluiden reagieren. Sie enthält keine Teile, die einem Verschleiß durch Reibung unterliegen, und sie produziert keine nachweisbare Teilchenverschmutzung des Prozeßfluidstroms. Darüber hinaus braucht das erfindungsgemäße Gerät nicht zum Zweck einer Nach-Kalibrierung aus dem Ablauf herausgenommen und entnommen werden. Diese Attribute stellen einen besonderen Vorteil bei der Verwendung in Prozessen dar, die sehr empfindlich gegenüber Mikrokontaminierung sind.
Ein noch weiterer Einsatz der vorliegenden Erfindung betrifft einen noch weiteren Stand der Technik. Industrielle Prozesse wie zum Beispiel das Cracken, die Katalyse und die Alkylierung, machen es erforderlich, daß die Zusammensetzungen der Eingangs- und Ausgangs-Fluidströme überwacht und/oder gesteuert werden. Dies erfolgt routinemäßig durch chemische Analyse unter Verwendung von Infrarotabsorption, Chromatographie oder Massenspektroskopie. Eine Prozeßstromanalyse erfolgt üblicherweise kontinuierlich und kann durch Laboranalyse unterstützt werden. Die vorliegen de Erfindung kann diese übrigen Methoden, mit denen die Bestandteilsanalyse durchgeführt wird, nicht ersetzen, kann sie jedoch unterstützen, wenn sie dazu eingesetzt wird, Änderungen in der Zusammensetzung der Prozeßströme nachzuweisen, so daß die Erfindung im Stande ist, die Zuverlässigkeit der Steuerschemata zu steigern, die auf einer Bestandteilsanalyse basieren, indem sofort Alarm gegeben wird, wenn die Zusammensetzung sich in einem Prozeßstrom über vorab eingestellte Grenzwerte hinaus ändert, was bedeutet, daß ein Prozeßanalysator gedriftet oder ausgefallen ist. Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einigen Fällen für einen Prozeßanalysator einspringen, wenn dieser repariert oder neu geeicht wird, um dann zum Überwachungsbetrieb zurückzukehren.
Ein noch weiterer Einsatz der vorliegenden Erfindung betrifft einen noch weiteren Stand der Technik. Einige industrielle Prozesse erfordern die Überwachung geringer Konzentrationen von Verunreinigungen, beispielsweise Feuchtigkeit oder Luft. Die vorliegende Erfindung kann dazu benutzt werden, solche Verunreinigungen in Prozeßströmen nachzuweisen. Sie ist von besonderer Nützlichkeit bei hochkorrosiven Prozeßströmen, beispielsweise solchen, die Halogene und deren korrosive Derivate enthalten, weil der gesamte Körper des Instruments gemäß der Erfindung aus korrosionsbeständigem Material aufgebaut sein kann. Außerdem stellen das Eichen und das Verifizieren des Betriebs bei herkömmlichen Instrumenten, beispielsweise bei Hygrometern, derzeit ein Hauptproblem bei aggressiven Prozeßströmen dar, beispielsweise fast reinem Chlor, Wasserstoffchlorid oder Ammoniak, da jegliche Verunreinigung, die in den Strom eingeleitet wird oder in ihn hineingelangt, sich rasch mit den Prozeßchemikalien kombiniert oder an den Obertlächen haftenbleibt und nicht in dem Prozeßstrom zwecks Verifizierung der Nachweisfähigkeit des Geräts zur Verfügung steht. Aus diesem Grund muß das Nachweisgerät aus dem Stand der Technik aus dem Prozeßstrom entnommen und losgelöst von dem Prozeßstrom geeicht werden, um dann wieder in den Prozeßstrom eingefügt zu werden. Dabei gibt es kein Verifizieren der Nachweisfähigkeit in der aktuellen aggressiven Betriebsumgebung. Die vorliegende Erfindung, die keine Neu- Kalibrierung erfordert, braucht nicht aus dem Prozeßstrom herausgenom men zu werden. Dies ist ein bedeutender praktischer Vorteil deshalb, weil die Herausnahme selbst sowohl geführlich ist als auch möglicherweise den Prozeßstrom kontaminiert.
Ein noch weiterer Einsatz der vorliegenden Erfindung betrifft einen noch weiteren Stand der Technik. In zahlreichen Industrien, die toxische, korrosive, explosive, pyrophore oder inerte Gase verwenden (die, falls sie in ausreichender Menge in die Luft austreten, durch Sauerstoffmangel zur Erstickung führen können), stellt sich ein grundlegendes Problem bei der Fertigung oder dem Testen ihrer Produkte durch die Sicherheit des Personals und der eingesetzten Vorrichtung in solchen Bereichen, in denen diese Chemikalien verwendet werden. Sicherheit läßt sich messen und überwachen durch kontinuierliches Proben-Entnehmen der Luft in solchen Umgebungen zwecks Nachweises auch nur geringer Mengen derartiger Gase. Die Computerchip-Industrie ist deshalb besonders betroffen, weil sie regelmäßig derartige Gase bei der Fertigung ihrer Produkte einsetzt. In diesen Umgebungen liegt der vornehmliche Wert eines Nachweisinstruments in dessen Zuverlässigkeit. Vor der vorliegenden Erfindung wurden diese Luftüberwachungsaufgaben von einer Reihe von Einrichtungen wahrgenommen, beispielsweise von auf elektrochemischer Basis arbeitenden Sensoren, aufkatalytischer Verbrennung basierenden Sensoren, photometrischen Flammenwächtern, Überwachungseinrichtungen, die auf chemisch behandeltem Papierband basierten, Massenspektroskopie und Chromatographie. Während diese Nachweismethoden auf einen hohen Entwicklungsstand getrieben wurden, leiden sie doch sämtlich an einem wesentlichen Nachteil: der Benutzer kann niemals absolut sicher sein, ob sie betriebsfähig sind. Das erfindungsgemäße Instrument läßt sich zum Überwachen derartiger Umgebungen einsetzen. Sein Hauptvorteil besteht in seiner Zuverlässigkeit und der Losgelöstheit von den Erfordernissen einer häufigen Neu-Kalibrierung und Prüfung. Der erfindungsgemäße Einsatz von Schall, der konstant durch Fluidproben hindurch gesendet und empfangen wird, liefert eine inhärente und kontinuierliche, von einem Ende zum anderen Ende reichende Bestatigung des Nachweisprozesses, ein sehr praktisches Mittel, um sicherzustel len, daß das Gerät arbeitet, und um Bedienungspersonen sofort zu alarmieren, wenn das Gerät nicht arbeitet.
Ein weiterer Einsatz der vorliegenden Erfindung betrifft eine weitere Klasse von Fluiden, nämlich Flüssigkeit. Flüssige Fluidgemische zeigen Änderungen der Schallgeschwindigkeit, die von der Zusammensetzung des Fluids abhängen. Allerdings hat die Temperatur einen unvorhersehbaren Einfluß auf die Schallgeschwindigkeit in flüssigen Gemischen. In einigen Flüssigkeiten erhöht sich die Schallgeschwindigkeit mit zunehmender Temperatur, bei anderen Flüssigkeiten beobachtet man den gegenteiligen Effekt. Es wird erwartet, daß die Analyse von Flüssigkeitsproben unter Verwendung der akustischen Entwurfsprinzipien und der hier offenbarten Methode bei der Datenverarbeitung sich als nützlich erweisen bei spezifischen Anwendungen, bei denen die Fähigkeiten derzeit verfügbarer Instrumente mangelhaft ist, beispielsweise die Überwachung von Boiler-Speisewasser auf plötzliche Verunreinigung und die Überwachung der Konzentration gelöster Substanzen in Wasser zur Verwendung bei der Extraktion von Zucker aus Zuckerrüben oder beim Bleichen von Kartoffeln für Pommes Frites oder zur Verwendung bei der Herstellung von Sirup für Softdrinks und in der Obstkonservenindustrie.
Eine noch weitere Verwendung der vorliegenden Erfindung betrifft einen noch weiteren Stand der Technik. Zahlreiche industrielle und Labor- Prozesse beinhalten den Prozeß der Gärung. Beispielsweise werden Penizillin und andere Antibiotika in der Weise hergestellt wie Mononatriumglutamat und andere Aminosäuren und Aceton, Ethylalkohol und andere organische Chemikalien. Darüber hinaus werden neue und experimentelle Produkte durch Neuverbindung von Organismen hergestellt. Die Gärung erfolgt in der Flüssigphase, jedoch sind zahlreiche der wesentlichen zugeführten oder entstehenden Chemikalien gasförmig. Die Messung der während der Gärung aufgenommenen oder ausgetriebenen Gase stellt ein wertvolles Werkzeug für die Überwachung und Steuerung dar. Gärprozesse lassen sich nur schwierig charakterisieren, und es ist eine Vielfalt von Messungen nützlich, wobei eine der wichtigsten die Messung der Sauerstoffkonzentration ist. Wenn Sauerstoff oder ein anderes Gas durch das Kulturmedium geleitet wird, wird häufig ein Massenspektrometer oder ein Gaschromatograph dazu eingesetzt, das Obergas zu analysieren und die Charakterisierung des Prozesses zu unterstützen. Ausgestattet mit chemischen Fangstoffen zum selektiven und sequentiellen Beseitigen spezifischer Bestandteile aus einer Probe, kann ein erfindungsgemäßes Instrument dazu benutzt werden, das Obergas zu probieren und auf Schlüsselparameter zu überwachen, beispielsweise Kohlendioxid, Methan, Ammoniak und andere interessierende Gase, um auf diese Weise den Zustand der Organismen und des Gärprozesses zu verfolgen. Wiederum ist ein erfindungsgemäßes Instrument eine beträchtliche Verbesserung gegenüber einem Gaschromatographen und einem Massenspektrometer, was die Einfachheit, Zuverlässigkeit und den Wegfall der Neu-Kalibrierung angeht.
Zusätzlich zu der Bestandteilsanalyse der Zusammensetzung der Gase in einem Fluidgemisch gemäß den oben beschriebenen herkömmlichen Methoden ist die Methode der Nutzung der Schallgeschwindigkeit zum Messen von Fluidstromparametern in der US-A- 4 596 133 beschrieben, und in der wissenschaftlichen Literatur wurde die Methode der Nutzung der Schallgeschwindigkeit zum Messen der Zusammensetzungen von binären Gemischen berichtet. Speziell der Artikel "(P)recision acoustic gas analyzer for binary mixtures" von E. Poulturak, S.L. Garrett und S.G. Lipson, erschienen in der November-Ausgabe 1986 der Review of Scientific Instruments 57 (11) beschreibt höchstgenau die Methode und eine von den Autoren eingesetzte spezielle Apparatur. Ein nachfolgender einschlägiger Artikel ist "A Sonar-Based Technique For the Ratiometric Determination of Binary Gas Mixtures" von G. Hallewell, G. Crawford, D. McShurley, G. Oxoby und R. Reif, veröffentlicht in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A264 (1988), North-Holland Amsterdam.
Allerdings wurde die Schallgeschwindigkeit nicht als Grundlage bei irgendeinem Stand der Technik bezüglich der Luftüberwachung auf Vorhandensein toxischer, korrosiver, explosiver oder pyrophorer Gase oder Sauerstoffmangel beschrieben, und auch wurde die Schallgeschwindigkeit nicht als Grundlage für die kontinuierliche Prozeßfluidüberwachung und Alarmgebung dann eingesetzt, wenn eine Prozeßfluid-Zusammensetzung von den normalen Bestandteilen über vorab eingestellte Grenzwerte hinaus abwich, und außerdem wurde sie nicht als Grundlage für die Prozeßfluid- Zusammensetzungsüberwachung und -steuerung eingesetzt. Vor der vorliegenden Erfindung wurde Schallgeschwindigkeit nicht als Sensiermethode in einer Vorrichtung realisiert, die mehrere Kammern aufweist, nicht in einem sequentiellen/parallelen/seriellen Fluidstromschema, welches speziell für die praktische Realisierung akustischer Nachweistechnologie ausgelegt ist, und auch nicht einer Methodik für die Fluidzusammensetzungs-Feststellung, die Gebrauch macht von einem Vergleich zeitbezogener Messungen, und die das Gerät unabhängig von Einwirkungen der Temperatur und Strömungsänderungen macht. Diese Vorgehensweise, Methode und die grundlegende Vorrichtung zu deren Realisierung werden hier offenbart.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein Fluidgemischwächter, der eine längliche akustische Kammer oder mehrere derartige Kammern verwendet, die hier als akustische Analysatoren bezeichnet werden. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, um eine Schallwelle an einem Ende der Analysatoren ansprechend auf elektrische Impulse zu erzeugen. Empfangswandler befinden sich in der Nähe der anderen Enden der Analysatoren annähernd äquidistant von den Schallwellengeneratoren, um Schallwellen in den akustischen Analysatoren umzusetzen in elektrische Impulse und dadurch die Schallwellen- Laufzeit oder die Resonanzfrequenz in der Analysatorkammer zu messen.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet Verbesserungen in der Geräteausführung, einen innovativen Einsatz der Vorrichtung und eine besondere Vorgehensweise bei der Verarbeitung der Daten. Sie verwendet Zeit- oder Frequenz-Messungen (reziproke Zeitmessungen), die von der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid oder in den Fluiden in der Malysatorkammer bzw. den Kammern abgeleitet werden. Die zwei gebräuchlichsten Wege zum Erhalten derartiger Messungen, Laufzeit und akustische Resonanz, sind detailliert in dem angegebenen Stand der Technik erläutert. (Ein früheres als "sing around" bekanntes Verfahren, welches gelegentlich in den Druckschriften erwähnt wird, bezieht sich auf die Laufzeit und wurde von letzterer ersetzt, als die elektronischen Zeitsteuerschaltungen genauer wurden). Die vorliegende Erfindung kann von der einen sowie der anderen Vorgehensweise Gebrauch machen.
Akustische Resonanz erfordert eine Schaltung, die automatisch die Schaltfrequenz innerhalb einer Resonanzkammer abstimmt, um die Schallamplitude zu maximieren, wobei die Frequenz von der Schallgeschwindigkeit in dem in der Kammer befindlichen Fluid abhängt. Eine einfache Umsetzung in die Praxis basiert auf dem Einsatz einer analog arbeitenden Phasenregelschleife zur Frequenzabstimmung und einen Frequenz-Spannungs-Wandler zum Umsetzen der Frequenz in ein analoges Signal, wobei es sich in beiden Fällen um handelsübliche Geräte handelt, die in Form integrierter Schaltungschips verfügbar sind. Diese Meßmethode liefert zeitbezogene (Frequenz-) Daten mit einem "Q"-Mehrfachvorteil, wobei der Wert von "Q" derjenige der Resonanzkammer ist. Während die Ausführungsform einfach und billig in der Fertigung ist, hat sie Nachteile, die sich aus der schwierigen Praxis der Fertigung sehr Ideiner Kammern ergeben, in denen Grundresonanzftequenzen für gasförmige Fluide im Ultraschallbereich he gen und die Werte von "Q" für das für zahlreiche Überwachungs- und Steueraufgaben benötigte Präzisionsniveau ausreichend hoch sind. Ein weiterer Nachteil ist die Möglichkeit des sogenannten "Modenspringens" oder Abstimmens auf eine andere Oberwelle, wenn Frequenzen verwendet werden, die höher sind als die Grundresonanzfrequenz. Das "Modenspringen" kann stattfinden, wenn sich Fluidgemisch-Zusammensetzungen rasch ändern. Konentionelle Analogschaltungen können ein solches Ereignis nicht erkennen und die Daten korrigieren. Diese Phänomene sind in der angegebenen Literatur gut erläutert.
Bei der Laufzeit handelt es sich um eine Methode, die sich bei digitaler Implementierung einfacher gestaltet und zu Meßdaten auf Zeitbasis führt. Diese digitalen Daten lassen sich mit einem Rechner leicht verarbeiten, um die Datenqualität zu maximieren, wie es weiter unten noch ausgeführt wird. Diese Methode läßt sich in der Praxis in einem Ultraschallbereich mit Wandlern mit hohem "Q" (im Gegensatz zu breitbandigen Wandlern mit niedrigem "Q", die für die Meßtechnik der akustischen Resonanz erforderlich sind) implementieren, was das Gerät weniger empfindlich für Einflüsse von akustischem Hintergrundrauschen macht. Der zusätzliche Aufwand der digitalen Implementierung und Berechnung wird in einem Mehrfachanalysator-Instrument, bei dem Messungen in der hier noch beschriebenen Weise verschachtelt durchgeführt werden, weniger bedeutend. Außerdem kann die Laufzeitmethode dazu benutzt werden, einen Fluidstromdurchsatz zu messen, wenn sich der Weg des Fluidstroms ändert, wie es hier noch offenbart wird.
Die hier beschriebene bevorzugte Ausführungsform verwendet die Laufzeitmessungen. Allerdings sind die Entwurfsprinzipien und vergleichenden Nachweismethoden, wie sie hier offenbart sind, auch auf andere Meßmethodik anwendbar, wobei sich das Gerät für Messungen der akustischen Resonanz nur geringfügig von dem hier beschriebenen Gerät unterscheidet. Erfindungsgemäße Instrumente berücksichtigen jede Meßmethodik, abhängig von den Erfordernissen des beabsichtigten Einsatzes der Instrumente.
Die Schritte in dem Meßprozeß umfassen zunächst das Einleiten eines Fluids, hier mit "Referenz" bezeichnet, in einen akustischen Analysator, sowie eines Fluids, hier als "Probe" bezeichnet, in einen zweiten akustischen Analysator, wobei beide Fluide gleiche Temperatur aufiveisen. Zweitens werden Schallwellen an einem Ende der Analysatoren ansprechend auf elektrische Impulse erzeugt. Die Analysatoren werden an ihren anderen Enden gegenüber den Schallwellenquellen mit Hilfe von Schallwellensensoren überwacht, die annähernd äquidistant von den Erzeugungsquellen beabstandet sind und ansprechend auf die Schallwellen elektrische Impulse erzeugen. Drittens werden die Zeitspannen gemessen, die zwischen den elektrischen Impulsen, welche die Schallwellen in dem Referenzfluid und dem Probenfluid erzeugen, und dem elektrischen Impuls, der von den Schallwellensensoren ansprechend darauf erzeugt wird, verstreichen, und die verstrichene Zeit für die Probe wird verhältnismäßig verglichen mit der verstrichenen Zeit für das Referenzfluid. Viertens werden die Ergebnisse des Vergleichs mit Einstellpunkten für Steuer- und Alarmgebungszwecke sowie die Betätigung von Ausgabegeräten, beispielsweise Meßgeräten, Relais etc., verglichen. Es sei angemerkt, daß die obige Beschreibung auf dem Einsatz von zwei Ahalysatoren beruht, und daß die Meßmethode des verhältnismäßigen Vergleichs der Messungen abhängig von den Schallgeschwindigkeiten, wie sie hier offenbart wird, nicht auf den Einsatz von zwei Analysatoren beschränkt ist, sondern vielmehr einsetzbar ist in Verbindung mit einem oder mit mehr Analysatoren, die als Einzelgerät arbeiten. Wird ein einzelnder Analysator verwendet, so werden Fluidproben extern umgeschaltet, um sequentiell durch den Analysator zu strömen.
Die im folgenden beschriebene und veranschaulichte neue Sensorapparatur läßt sich einsetzen,
um kontinuierlich Abweichungen in der Zusammensetzung eines Fluidgemisches durch Bezugnahme auf ein Referenz-Fluidgemisch zu überwachen;
um die Genauigkeit getrennter Stromreguliergeräte zu überwachen, bei denen einzelne strömende Fluide gemischt werden, um eine gewünschte Zusammensetzung zu erzielen;
um die Fluidzusammensetzung zu erfassen und die Ströme individueller Fluide zu steuern, die mit dem Ziel gemischt werden, eine gewünschte Zusammensetzung zu erreichen;
um Fluidgemischrezepte in einem elektronischen Speicher abzuspeichern und diese Rezepte dazu zu verwenden, eine Abweichung in den Mengen der einzelnen Gemischkomponenten, aus denen das gesamte Gemisch besteht, anzugeben;
um individuelle Fluide zu prüfen und zu erkennen, bevor sie gemischt werden, um dadurch zu gewährleisten, daß die richtigen Fluide für den Gemischvorgang verwendet werden;
um einen Fluidstrom zu messen; und
um die Zusammensetzung von Gasgemischen dadurch zu erfassen, daß spezifische Komponenten des Gemisches selektiv abgefangen oder eliminiert werden.
Das im folgenden beschriebene Verfahren läßt sich dazu benutzen, das Vorhandensein unerwünschter Gase in einer Luftprobe nachzuweisen und das Vorhandensein geringer Konzentrationen von kontaminierenden Fluiden in Prozeßfluidströmen festzustellen.
Die im folgenden beschriebene und dargestellte Sensorapparatur ermöglicht den Einsatz einer Nachweismethode, die keiner Drift unterliegt, bei der systematische Gerätefehler nicht existieren, und bei der Fluidgemischrezepte zwischen individuellen Geräten übertragbar sind.
Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich, wenn das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden. Es zeigen:
Fig. 1A eine Vorderansicht im Querschnitt der Vorrichtung des Schall-Laufzeit-Analysators gemäß der Erfindung;
Fig. 1B eine geschnittene Draufsicht auf den Schallanalysator nach Fig. 1A;
Fig. 1C eine Querschnittansicht entlang der Linien 1C-1C in Fig. 1A und
Fig. 1D eine Querschnittansicht entlang der Linien 1D-1D in Fig. 1A und
Fig. 1E eine Querschnittansicht entlang der Linien 1E-1E der Fig. 1A und
Fig. 1F ein schematisches Flußdiagramm für den Fluidstrom durch den Schall-Laufzeit-Analysator nach Fig. 1A und 1B;
Fig. 2A eine geschnittene Draufsicht auf die Vorrichtung des Schall- Akustikresonanz-Analysators gemäß der Erfindung;
Fig. 2B das schematische Flußdiagramm für den Fluidstrom durch den Schall-Akustikresonanz-Analysator;
Fig. 3A eine geschnittene Vorderansicht der Vorrichtung des Fluidstrom- Schallmeßanalysators gemäß der Erfindung;
Fig. 3B eine geschnittene Draufsicht auf den Schallanalysator nach Fig. 3A;
Fig. 3C eine Querschnittansicht entlang der Linien 3C-3C in Fig. 3A und
Fig. 3D das schematische Flußdiagramm für den Fluidstrom durch den Fluidstrom-Schallmeßanalysator nach Fig. 3A und 3B;
Fig. 4A eine Draufsicht auf eine Anordnung von Schallanalysatoren ohne deren Umhüllung;
Fig. 4B eine Seitenansicht der Anordnung von Schallanalysatoren nach Fig. 4A;
Fig. 4C eine stimseitige Ansicht der Anordnung von Schallanalysatoren nach Fig. 4A;
Fig. 5 eine geschnittene Vorderansicht der Vorrichtung eines Fangabschnitts der Analysatorkette;
Fig. 6 ein Blockdiagramm der Ausgestaltung der Hardware der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 7 ein Zeitablaufdiagramm für die Detektor-Logikschaltung; und
Fig. 8 ein logisches Schaltungsdiagramm für die Taktfreigabeschaltung bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Es wird zur Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente entsprechender Ansichten verwendet sind.

DER AKUSTISCHE ANALYSATOR

Fig. 2A bis 2E zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines Grundelements der Erfindung. Dargestellt ist ein akustischer Analysator 21, bei dem es sich um eine akustische Kammer handelt, die ein Schallwellenführungs rohr 23 enthält, an dem die auf die Zeit bezogenen Messungen erhalten werden, die von der Schallgeschwindigkeit in einem Fluid abgeleitet werden. Der Analysator dient zum Analysieren von Fluidgemischen durch Erzeugung von Schallwellen in den zu prüfenden Fluiden, die dann in das Führungsrohr eingeleitet werden. Ein Schallstoßgenerator 25 erzeugt die Schallwellen, die von einem Schallstoßempfänger 27 erfaßt werden. Der akustische Analysator gemäß der Erfindung betrifft alternative Ausführungsformen, bei denen der Schallstoßgenerator und der Schallstoßempfänger als ein und dieselbe Einheit ausgebildet sein können, die sich an einem Ende der akustischen Kammer befindet. Bei dieser Ausführungsform wird die Einheit so programmiert, daß sie wechselnd umschaltet und sowohl den Schallstoß generiert als auch den am anderen Ende der Kammer reflektierten Schallstoß empfängt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind der Schallstoßgenerator und der Schallstoßempfänger getrennte Einheiten und befinden. sich an einander gegenüberliegenden Enden der akustischen Kammer.
Eine spezielle Einrichtung dient zum Einleiten einer Fluidprobe in die akustischen Kammern. Ein wichtiger Aspekt dieser Einrichtung zum Einleiten eines Fluids besteht darin, daß sie aufgrund ihrer Ausgestaltung sicherstellt, daß sämtliche Fluide bei gleicher Temperatur in die Kammern eingeleitet werden. Dies ist deshalb wichtig, weil die Schallgeschwindigkeit in jedem Fluid mit der Temperatur schwankt und das erfindungsgemäß verwendete Verfahren, welches zum Interpretieren der Schallgeschwindigkeiten verwendet wird, damit in der noch beschriebenen Weise eine nutzbare Überwachungs- und Steuerinformation erhalten wird auf der Prämisse beruht, daß sämtliche Fluide gleiche Temperatur haben.

AKUSTISCHE ANALYSATORKETTE

Ein erfindungsgemäßes Instrument kann einen akustischen Analysator enthalten, der abwechselnd für das Probenfluid und das Referenzfluid verwendet wird, oder es kann mehrere akustische Analysatoren beinhalten.
Eine Fluidbestandteilsanalyse erfolgt durch Messen des Einflusses jedes Bestandteils, wenn dieser dem Gemisch hinzugefügt wird. Mehrere Analysatoren lassen sich miteinander verkoppeln, so daß sie ein einzelnes Instrument für die Bestandteilsanalyse bilden. Bei einer solchen Verkopplung sind die einzelnen Analysatoren in gegenseitiger Anlage angeordnet und befestigt, und es sind Mittel vorgesehen zur leckdichten Fluidverbindung zwischen den Analysatoren. Dies macht es möglich, Probenfluid von einem auszuleerenden Analysator in einen der Einlasse des nächsten Analysators zu leiten, wo es mit einer weiteren Fluidkomponente gemischt wird, was zu einer seriellen Addition und Mischung individueller Fluidkomponenten führt. Auf diese Weise verkoppelte akustische Analysatoren bilden eine "Analysatorkette".
Eine Bestandteilsanalyse läßt sich auch in der Weise durchführen, daß man von einem Einfangen oder selektiven Entfernen spezifischer Fluidkomponenten aus dem Fluidgemisch und einer Messung der Wirkung Gebrauch macht. Um dieses Ergebnis zu erreichen, werden spezielle "Auffangabschnitte" zwischen den akustischen Analysatoren installiert, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Diese Auffangabschnitte haben konstruktiv den gleichen Aufbau und Fluidverbindungen wie die akustischen Analysatoren, nur daß die Kammern keine Schallstoßgenerator- und -empfängeranordnungen enthalten, keinen Einlaß für die Zugabe eines weiteren Fluids, und die Kammer ein geeignetes chemisches System für die gewünschte Auffangwirkung enthält (beispielsweise Talliumhydroxid, um Kohlendioxid aufzufangen). Das Ergebnis ist ein Probenstrom von einem akustischen Analysator zu einer Auffangkammer durch das chemische Auffangsystem hindurch und aus der Auffangkammer hinaus in den nächstfolgenden akustischen Analysator.

DIE TESTKAMMER UND DAS SCHALLWELLENFÜHRUNGSROHR

Die akustische Kammer der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält ein Schallwellenführungsrohr 23, welches in einem Paar von korrosionsbeständigen Einschluß- oder Probenrücklaufrohren 29 eingeschlossen ist. Letztere sind abgedichtet mit einem Verzweiger oder einem Mittelblock 31 verbunden, die sich in der Mitte des Führungsrohrs befinden. Die Einhüllungsrohre könnten aus Glas gefertigt sein, aufgrund der Festigkeit und Sicherheit jedoch bestehen sie aus rostfreiem Stahl. Die Enden der Rohre sind von aus korrosionsbeständigem Material gefertigten Schalldämpfüngsendblöcken 33 abgeschlossen. Sowohl die Endblöcke als auch das Führungsrohr bestehen aus einem chemisch inerten, allgemein mechanisch steifen Material mit einer komplexen Molekularstruktur, um Schallenergie in dem Material umzusetzen in Wärme, so daß Schallenergie innerhalb des Materials stark gedämpft wird. Dies ist deshalb so, damit die Endblöcke und das Führungsrohr nicht als akustische Leiter fungieren.

DIE FLUIDEINLEITEINRICHTUNG

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Fluideinleiteinrichtung den Mittelblock 31 der akustischen Kammer, der aus einem korrosionsbeständigen Material mit relativ starker Wärmeübertragung gearbeitet ist, beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Es wird auf die Fig. 5, 6 und 7 Bezug genommen. Der Mittelblock enthält eine herausgearbeitete Verzweigung oder interne Leitung, um den ankommenden Fluidstrom zu leiten und den Rückstrom aus den Probenrücklaufrohren 29 zu speisen. Der ankommende Fluidstrom wird durch einen Einlaßkanal 35 im Mittelblock geleitet und einer Mündung 37 zugeführt, die dazu ausgebildet ist, den Fluidstrom in die Mitte des Führungsrohres 23 auszutragen, wo der Strom sich zweiteilt und in Richtung der einander abgewandten Enden des Führungsrohres fließt. Der Fluidstrom tritt an den beiden Enden des Führungsrohres aus kehrt dann seine Stromungsrichtung an den Enden der Kammer um und fließt außerhalb des Führungsrohres 23, jedoch im inneren der Umhüllungsrohre 29 der Kammer zurück zu dem Mittelblock 31. Dort wird er von dem Mittelblock aufgenommen und der Austrittsöffnung 39 zugeleitet, damit er entweder zurück in den Prozeßstrom ausgetrieben wird, oder aber in die nächste Kammer, abhängig von dem Einsatz des Instruments.
Das Führungsrohr 23 ist durch eine Bohrung in dem Mittelblock 31 bei schwacher Reibungspassung eingeführt, so daß es im wesentlichen innerhalb der Bohrung abgedichtet ist, wobei seine beiden Enden gleichweit von dem mittleren Block abstehen. Nachdem das Führungsrohr sich in seiner Position befindet, wird durch den Einlaßkanal 35 des Mittelblocks ein Loch gebohrt, welche die Einlaßöffnung 37 bildet und einen Fluiddurchgang darstellt, der das Führungsrohr mit dem Mittelblock verbindet. Die Ausrichtung des Einlaßkanals 35 mit der Einlaßöflhung 37 gewährleistet, daß das gesamte Probenfluid direkt in die Mitte des Führungsrohrs einströmt, wo es sich gleichmäßig aufteilt und den einander abgewandten Enden des Führungsrohres zustrebt. Die entgegengesetzten Richtungen des Fluidstroms innerhalb des Führungsrohrs ist das spezielle Merkmal der Fluidstromeinleiteinrichtung, welches Meßanomalien aufgrund des Dopplereffekts beseitigt. Der Fluidstromweg ist in Fig. 1F dargestellt.
In einem Mehrkammerinstrument sind die Mittelblöcke 31 so ausgebildet, daß sie sich in gegenseitiger Anlage befinden, damit Fluide von einem Mittelblock zum nächsten fließen können, und zwar über die internen Verzweigungen, die teilweise durch die Einlaß- und Auslaßkanäle 35 und 39 gebildet werden. Die Enden der Kanäle an der Oberfläche der Mittelblöcke sind mit Ausnehmungen 41 zum Einsetzen einer "O"-Ringdichtung ausgestattet, die sich zwischen den benachbarten Mitteiblöcken befindet, um die Kanäle abzudichten, die zwischen den benachbarten Mittelbiöcken miteinander kommunizieren.
Es wird auf die Fig. 3C und 4A Bezug genommen, die zeigen, daß die Mittelblöcke außerdem mit Rückschlagventilen 43 ausgestattet werden können, die verhindern, daß sich ein Fluid in der Richtung entgegen dem Fluidstrom zumischt, wenn sehr schwache Strömungsdurchsätze angetroffen werden. Zu diesem Zweck kann jeder der zahlreichen handelsüblichen Typen dienen. Jeder Block besitzt außerdem die Möglichkeit, daß ein Steuerventilsitz 45 dadurch in das Material eingearbeitet wird, daß der Einlaßkanal 35 zu dem Analysator hin gebohrt wird. Der Einlaßkanal besteht aus zwei Anteilen: einem Einlaß, der Fluid von einem benachbarten, vorausgehenden Analysator innerhalb der Analysatorkette empfängt, und einem getrennten Einlaß von einer äußeren Quelle. Anschließend wird in dem Ventilsitz ein Modulationsventilaufsatz 47 installiert, und der Elektromagnet des Ventils oder ein anderer Aktuatortyp wird an ein Steuersignal angeschlossen, welches von der Instrumentensteuerung erzeugt wird.
Fluide können in den Mittelblock über die zwei Einlaßzweige durch denjenigen Abschnitt des Einlaßkanals 35 eintreten, der zu der Auslaßöffnung eines benachbarten Mitteiblocks einer anderen akustischen Kammer gehört, sowie von einer äußeren Quelle über ein Speiserohr 49, welches an das Rückschlagventil 43 am Boden des Mittelblocks 31 angeschlossen ist. An beiden Einlässen des Mittelblocks können Ventilsitze vorgesehen sein, damit Fluid selektiv in die Kammer entweder über den einen oder über beide Teileingänge eintreten kann. Von den beiden Einlässen ankommende Fluide werden gemischt und auf die Temperatur des Mittelblocks eingestellt, der Umgebungstemperatur oder eine erhöhte Temperatur aufweisen kann, Ergebnis der darin befindlichen Umhüllung und des Kontakts mit dieser. Das in seiner Temperatur eingestellte Fluidgemisch wird anschließend in die Mitte des Führungsrohres 23 eingeleitet, wo es zu dem jeweiligen Ende strömt.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Fluideinleiteinrichtung besteht darin, daß die Einrichtung derart ausgebildet ist, daß entweder eine serielle, eine parallele oder eine sequentielle Hinzufügung von Fluiden möglich ist und, wenn die serielle Einspeisung verwendet wird, für ein Mischen des Fluids außerhalb der Kammern Sorge getragen ist, damit Fehler bie der Schallgeschwindigkeitsmessung aufgrund einer unvollständigen Mischung der Fluide innerhalb der Kammern vermieden werden. Diese beiden Zwecke werden durch die Ausgestaltung erreicht, gemäß der eine Vorkammer vorgesehen ist, in der die Fluide eingeleitet, gemischt und in der Temperatur auf diejenige der umgebenden Einschließung eingestellt werden, bevor sie in die Kammern einströmen. Die Vorkammer ist derjenige Abschnitt des Einlaßkanals 35, der sich zwischen der Schnittstelle der Teileinlässe und der Öffnung 37 befindet, über die die gemischten Fluide in das Schallwellenführungsrohr ausgetragen werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Fluideinleiteinrichtung ist die Beseitigung meßbarer Einflüsse auf die Schallgeschwindigkeitsmessungen bei sich ändernden Fluiddurchsätzen, wie sie unter normalen Betriebsbedingungen anzutreffen sind, und die typischerweise 0,2 bis 2 Liter pro Minute bei jedem Fluid betragen. Das Fluid wird an der Mitte des Führungsrohres eingelassen und veranlaßt, zu beiden Seiten hinzuströmen, wodurch die Schallwellen gleiche Mengen von in entgegengesetzte Richtungen strömendem Fluid durchsetzen. Dieser Strömungsweg führt zu einer Auslöschung sowohl der Dopplerverschiebung als auch der Schallwellenimpuls-Verzerrung, die möglicherweise als Ergebnis der in einem Rohr fließenden Ströme auftritt, so daß präzise Schallgeschwindigkeitsmessungen in den laminaren und Übergangsströmungsbereichen möglich sind, oder dort, wo Reynolds- Zahlen zwischen Null und annähernd 3000 schwanken können. Dieser Strömungsweg sorgt außerdem dafür, daß der Schallsender und der Schallempfänger an einander abgewandten Enden des akustischen Analysators angeordnet werden können oder aber ein einzelner Sendeempfänger an einem Ende angeordnet wird, während an dem entgegengesetzten Ende des akustischen Analysators ein Schallreflektor installiert wird.

RESONANZMES SVORRICHTUNG

Wenn die akustische Resonanz als Mittel zum Erhalten von schallgeschwindigkeitsbezogenen Messungen eingesetzt wird, werden die Konstruktionseinzelheiten des akustischen Analysators so modifiziert, daß dieser Methode entsprochen wird. Es wird auf Fig. 2A Bezug genommen, um ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu veranschaulichen. Es werden Umschließungsrohre 55 verwendet, die den gleichen Innendurchmesser haben wie die Bohrung der Endbiöcke 57. Der Mittelblock 59 ist entlang der Achse der Umschließungsrohre durchgebohrt, wobei die Bohrung einen Durchmesser hat, der dem Innendurchmesser der Umschließungsrohre entspricht, so daß in den Umschließungsrohren eine Kammer gleichmäßigen Durchmessers gebildet wird, wenn der akustische Analysator zusammengesetzt ist. Eine Scheidewand 61 in Form eines Streifens aus einem geeigneten Material (grundsätzlich steif und inert) wird dann in Längsrichtung in diese Kammer zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen 63 und 65 für den Zufluß bzw. den Abfluß auf einander abgewandten Seiten der Scheidewand hineingedrückt. Sie bildet eine Wand in dem Analysator, wodurch zwei Kammern entstehen. Im allgemeinen reicht ein leichter Reibungssitz aus, um die Scheidewand in den Umschließungsrohren zu halten. Die Länge der Scheidewand ist geringfügig kürzer als der Abstand zwischen den an den Enden der Kammern in den Endblöcken befindlichen Wandler, damit die Fluidprobe von dem Einlaß um die Enden der Scheidewand herum zu dem Auslaß fließen kann. Dies führt zu der Ausbildung von zwei Fluidstromhohlräumen innerhalb der Analysator- Resonanzkammer.
Es wird auf Fig. 2B Bezug genommen, um den Fluidstromweg in dem Schallresonanzanalysator darzustellen. Ein Probenfluid strömt in den ersten Hohlraum 67 auf einer Seite der Scheidewand 61 und gabelt sich in zwei Teile auf, um den entgegengesetzten Enden des Hohlraums in die Endblökke 57 entgegenzuströmen. Dann kehrt der Strom die Richtung um und gelangt in den zweiten Hohlraum 59, um von jedem Ende aus in Richtung des Mittelblocks 59 zu strömen, wo der Strom in die Austrittsöffnung 65 gelangt und entweder in den Prozeß eingespeist oder in den Mittelblock des nächstfolgenden akustischen Analysators innerhalb der Analysatorkette getrieben zu werden. Als Ergebnis erhält man einen Probenstrom durch die zwei in der Resonanzkammer des akustischen Analysators gebildeten Hohlräumen auf einander abgewandten Seiten der Scheidewand in der Weise, daß erzeugte Schallwellen gleiche Strecken in entgegengesetzten Richtungen des Probenstroms antreffen.

FLUIDSTROMMESSVORRICHTUNG

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Fluideinleiteinrichtung ist die Maßnahme zum Lenken des Fluidstroms in ein Schallwellenführungsrohr in einer einzelnen Richtung, um dadurch die Fluidstrommessung zu ermöglichen. Es wird auf Fig. 3A und 3B Bezug genommen, um diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung darzustellen. Bei dieser Konfiguration ist das Einlaßrohr 49 für das Einleiten neuen Fluids verstöpselt oder mittels Ventil gesperrt, so daß kein Fluid dem Fluidstrom aus dem vorausgehenden akustischen Analysator innerhalb der Analysatorkette hinzugefügt wird und folglich das Fluid mit der gleichen Zusammensetzung wie in dem vorausgehenden akustischen Analysator durch diesen akustischen Analysator fließt, der zum Zweck der Durchflußmessung ausgebildet ist. Der Probeneinlaßkanal 35, der zu der Mitte des Führungsrohres führt, wird durch einen Kanal 71 in dem Mittelblock 31 einem Umschließungsrohr 55 auf einer Seite des Mittelblocks zugeleitet. Es gibt in dem Mittelblock auf jener Seite des Mittelblock keinen Kanal zur Aufnahme des Probenrücklaufstroms, was dazu führt, daß ein Probenstrom von dem Mittelblock durch das Umschließungsrohr zu dem (rechten) Endblock, an dem das Umschließungsrohr befestigt ist, strömt, um dann in das Führungsrohr einzutreten und aus dem anderen (linken) Ende des Führungsrohrs und in den anderen Endblock zu gelangen und dann schließlich in das andere Umschließungsrohr einzutreten, wo das Fluid in den Mittelblock zurück (nach rechts) strömt, wo es wie bei den anderen Analysatoren aufgenommen und ausgetragen wird.
Dieser Fluidstromweg führt dazu, daß durch das Führungsrohr gesendete Schallwellen den Fluidstrom in nur einer Richtung fließend antreffen, wenn ein Schallstoßgenerator 25 und ein davon getrennter Schallstoßempfänger 27 verwendet und an den einander abgewandten Enden des Führungsrohrs 23 angebracht sind. Der Fluidstrom wird aus Messungen ermittelt, die von der Schall- und der Strömungsgeschwindigkeit abhängen. Dieser Prozeß ist weiter unten im Abschnitt 6 "Arbeitsweise" näher erläutert.

SCHALLSTOSSGENERATOR UND -EMPFÄNGER

Es wird auf die Figuren 1A, 1B, 2, 3A und 3B Bezug genommen. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, um eine Schallwelle an einem Ende des Schallanalysators ansprechend auf elektrische Impulse zu generieren. Bewirkt wird dies durch den Schallstoßgenerator 25, der einen Wandler enthält. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich ein Schallstoßempfänger 27 in der Nähe des anderen Endes der Kammer. Der Schallstoßempfänger enthält ebenfalls einen Wandler. Die Schallstoßempfänger sind etwa äquidistant von den Schallstoßgeneratoren angeordnet, um die erzeugten Schallwellen in den Kammern umzusetzen in elektrische Impulse. Die Wandler sind in der Nähe der Enden der aus rostfreiem Stahl bestehenden Umschließungsrohre 29 und 55 mit Hilfe der Endblöcke 33 und 57 mittels Schraubverbindung an den Umschließungsrohren befestigt und haben zu den Fluiden in den Führungsrohren 23 über Metallmembranen 73 eine akustische Kopplung. Die Membranen können mit Gold, Tantal oder Glas beschichtet oder anderweitig passiviert sein, um für korrosive Fluide geeignet zu sein. Die Membranen trennen die Wandler von den akustischen Kammern, wodurch die Wandler außerhalb der Kammer liegen, was der Zuverlässigkeit ebenso dient wie der Trennung des getesteten Fluids von den Wandlerelementen, den zugehörigen elektronischen Bauteilen und der Außenumgebung, so daß eine mögliche Leckage oder Kontaminierung der Fluide unterbunden wird.

TESTKAMMERPARAMETER, WERKSTOFFE UND AUFBAU

Bezugnehmend auf die Figuren 1A und 1B, die die bevorzugte Laufzeit- Ausführungsform des Schallanalysators gemäß der Erfindung zeigen, ist der Hohlraum im Inneren der Endblockanordnung 33 zylindrisch, wobei ein Ende durch die Wandlermembran 73 und das gegenüberliegende Ende von der Innenwand 75 des Endblocks gebildet wird. Akustische Reflexionen zwischen diesen zwei Flächen verzerren die empfängenen Wellenformen und sind Ursache für Fehler der Schallgeschwindigkeitsmessung. Es sind Mittel vorgesehen, um diese Reflexionen zu beseitigen und dadurch die damit einhergehenden Meßfehler auszuschließen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Innenhohlraum des Endblocks so ausgebildet, daß er zwischen den zwei Enden 73 und 75 6cm lang ist, um dadurch den Wandler von der Hohlraum-Stirnwand um eine Strecke zu trennen, die größer ist als anderthalb Wellenlängen des Schalls für das Fluid mit der höchsten gemessenen Schallgeschwindigkeit, im vorliegenden Fall Wasserstoffgas, und zwar bei der verwendeten Schallfrequenz, im vorliegenden Fall 40 KHz. Dies macht es möglich, daß drei vollständige Wellen übertragen und empfangen werden, bevor eine Interferenz aufgrund von Reflexion stattfindet. Andere Mittel zur Erzielung des gleichen Zwecks könnten das Befüllen des Hohlraums des Endblocks mit einem schallschluckenden Material beinhalten, beispielsweise Glaswolle, oder das Ausbilden der Vorderseite der Stirnwand gegenüber der Membran mit konischer Form oder abgewinkelter Orientierung, was den Anteil von zu der Membran zurückreflektiertem Schall mindert, oder es können die Wandler direkt auf den Enden der Führungsrohre 23 angeordnet werden. Eine Kombination aus diesen Maßnahmen ist ebenfalls möglich.
Wie man aus der Draufsicht in Fig. 1B ersieht, ist das Führungsrohr 23 zu den Seiten der Wandler 25 und 27 hin versetzt. Verwendet man piezoelektrische Kristallwandler, die im 1:3- oder "Biege"-Betrieb arbeiten, so hat es sich als sehr wichtig erwiesen, das Führungsrohr derart zu lagern, daß es den Außenrand des piezoelektrischen Kristalls unterhalb der Membran und nicht in der Mitte schneidet, weil es einen großen Unterschied in der Amplitude der ersten wenigen Schallimpulse ausmacht. Die Schall sendenden und empfangenen Wandler, die in dieser Weise ausgebildet sind, sorgen für einen raschen Aufbau der empfangenen Schwingungen. Das heißt: die Amplitudendifferenz von Amplitudenspitze zur nachfolgenden Amplituden spitze in der Nähe des Anfangs des Schallimpulses beträgt typischerweise mehr als 200%. Das "Anschwingen" der eine schmale Bandbreite aufweisenden Wandler, wie sie bei der bevorzugten Ausführungsform eingesetzt werden, und die ein "Q" von über 10 aufweisen, liegt typischerweise in der Größenordnung von etwa 10%. Diese Implementierung würde offenbar der intuitiven Analyse zuwiderlaufen, wonach das Rohr in der Mitte der Wandler liegen sollte, wo die schließliche Schwingungsamplitude der Membran am größten ist.
Man muß nicht die Länge der Führungsrohre 23 kennen oder sie zwischen den Wandlermembranen 25 und 27 gleich lang ausbilden, weil die Testkammern unter Verwendung numerischer Faktoren normiert werden, welche Längendifferenzen ausgleichen, und die in dem Rechnerspeicher der Instrumentensteuerung abgespeichert sind.
Der Innendurchmesser des Führungsrohrs 23 wird so gewählt, daß er einen Zentimeter beträgt, um typische Fluidströmungsdurchsätze handhaben zu können. Die Länge der Führungsrohre innerhalb der Kammern der bevorzugten Ausführungsform wird zu 30cm gewählt, so daß das Instrument in einer Weise kompakt ausgebildet werden kann, in der es bequem in einer Halbleiterverarbeitungsmaschine oder in der Nähe eines Prozeßstroms untergebracht werden kann. Andere Größen und Längen der Führungsrohre sind bei anderen Ausführungsformen möglich, so lange das Verhältnis von Länge zu Durchmesser einen Faktor von etwa 10 übersteigt. Ist das Verhältnis kleiner als 10, so hat sich gezeigt, daß Schallwellen, die von den Wänden des Führungsrohrs reflektiert wurden, bald nach dem Anschwingen auf den Empfangswandler auftreffen und so den Teil der empfangenen Wellenform verzerren, auf den der Detektor anspricht, was zu Meßfehlern führt.
In das Führungsrohr 23 über die starren Konstruktionsstoffe eingeleiteter Schall wird zur akustischen Trennung auffolgende Weise minimiert: die zahlreichen mechanischen Verbindungen zwischen dem Schallerzeugungswandler 25 und dem Mittelblock 31 sind aus unähniichen Stoffen gefertigt, um dadurch die Amplitude des Schalls zu dämpfen, der durch den Festkörperkontakt über jede nachfolgende Verbindung entlang dem Schallweg gekoppelt wird. Das Führungsrohr 23 weist eine mechanische Verbindung lediglich in dem Mittelblock auf und ist nicht an die Probenrucklaufrohre 29 oder die Endblöcke 33 angeschlossen. Dies gewährleistet, daß in das Führungsrohr durch Festkörperkontakt eingekoppelter Schall nur an den Mittelblock in Erscheinung treten kann. Zusätzlich besteht bei dieser bevorzug ten Ausführungsform das Führungsrohr aus einem Polymermaterial, beispielsweise Fluorkohlenstoff, weil derartige Stoffe Ultraschall rasch dämpfen. Der Einsatz der hier offenbarten Schalltrennmethoden in Kombination mit den schallabsorbierenden Konstruktionsmaterialien gewährleistet, daß die Amplitude des durch das Material des Führungsrohrs geleiteten und den Schallempfänger erreichenden Schalls minimal ist im Vergleich zu der Amplitude des durch die Fluidprobe geleiteten Schalls.

MEHRFÜHRUNGSROHRKAMMERN

Es wird auf Fig. 4 und 5 Bezug genommen, die eine Kette von Schallanalysatoren zeigen. Die Ausgestaltung des Mittelblocks 31, die es ermöglicht, mehrere akustische Kammern in einer akustischen Analysatorkette zusammenzukoppeln, indem die Mittelblöcke in einander berührende und benachbarte Lage gebracht werden, ermöglicht es außerdem, einen seriellen Fluidstromweg durch die mehreren Führungsrohrkammern der Kette zu bilden: der erste Fluidstrom wird in die erste Kammer eingeleitet und verläßt die erste Kammer. Dieser Strom wird dann mit dem zweiten Fluidstrom gemischt, und das resultierende Gemisch wird durch die zweite Kammer geleitet und verläßt diese. Dieser Strom wird dann mit dem dritten Fluidstrom gemischt, und das erhaltene Gemisch wird durch die dritte Kammer geleitet und verläßt diese Kammer. Dies wird durch sämtliche Kammern des Geräts fortgesetzt, wobei das Gerät üblicherweise soviel Kammern enthält, wie es individuelle Fluide in dem resultierenden Gemisch gibt. Das Gerät mißt wiederholt die Laufzeit von Schallwellen in dem Fluid, welches in jeder einzelnen der Kammer enthalten ist, bei etwa 100 Hz. Sämtliche Kammern werden auf gleicher Temperatur und gleichem Druck gehalten. Ein Mikroprozessor ist derart programmiert, daß er die auf Zeitbasis vorliegenden Meßwerte für jedes Fluid verhältnismäßig vergleicht mit jenen in dem nachfolgenden Fluidgemisch, um Alarm zu geben und/oder Steuersignale zu liefern, mit denen Ventile modulierte werden, falls Abweichungen jenseits vorab ausgewählter Grenzen beobachtet werden.
Es wird auf die Fig. 1A bis 1C und 2 bis 3C Bezug genommen. Ein wichtiger Aspekt der Fluideinleiteinrichtung ist der Einbau der Ausnehmungen oder ausgearbeiteten Sitze 41 für Druckfluiddichtungen an einander abgewandten Seiten des Mittelblocks 31 am Fluideinlaß- und Fluidauslaßkanal, wodurch jeder Mittelblock mit den anderen Mitteiblöcken der Analysatorkette zusammenpaßt. Als Ergebnis der Verbindung der Einlaß- und Auslaß kanäle der Mittelblöcke ist die Reihe von Testkammern der Analysatorkette pneumatisch miteinander gekoppelt, so daß sämtliche Messungen bei gleichem Druck erfolgen (allerdings ist der Effekt der Druckdifferenzen vernachlässigbar). Wenn eines oder mehrere der Fluide bei sehr langsamer Strömungsgeschwindigkeit geliefert werden, kann man ein Rückschlagventil 43 in dem Mittelblock anordnen, um ein Vermischen in Gegenrichtung des Fluidstroms zu unterbinden.
Die aus rostfreiem Stahl bestehenden Mittelblöcke befinden sich in einer Umhüllung in körperlicher Berührung miteinander und teilen eine gemeinsame (nicht gezeigte) metallische Rückplatte, die als Wärmeverteiler für den Temperaturausgleich dient, wodurch Temperaturunterschiede zwischen den Gasen in den einzelnen Testkammern minimiert werden. Im Ergebnis ist das Referenzfluid sowohl bezüglich Druck als auch bezüglich Temperatur mit den Probenfluiden gekoppelt. All diese wichtigen, oben beschriebenen Aspekte sind in dem Mittelblock verwirklicht, um dadurch die Erweiterung der Anzahl von Kammern in einem Instrument in einfacher Weise dadurch zu ermöglichen, daß man einen oder mehrere zusätzliche Analysatoren an die Analysatorkette anfügt, die ihrerseits ein wichtiges Entwurfsmerkmal darstellt.
Wenn eine Scheidewand oder ein Ventil zwischen den Kammern angeordnet ist, um diese voneinander zu trennen, so lassen sie sich für einen Parallelstrom miteinander koppeln. In dieser Konfiguration kann die Referenzkammer entweder abgedichtet sein oder ein strömendes Fluid enthalten. Die beiden Kammern werden auf gleicher Temperatur gehalten wie es oben erläutert wurde.
Es wird auf Fig. 5 der Zeichnungen Bezug genommen, um einen Auffangabschnitt der Analysatorkette darzustellen. Die Vorrichtung ist identisch mit dem Laufzeit-Schallanalysator mit Ausnahme der Elektronik. Das passende chemische System 81 für die erwünschte Auffangwirkung befindet sich innerhalb des Schallwellenführungsrohrs 23. Der Fluidstrom durch den Auffangabschnitt ist der gleiche, wie er in Fig. 1F dargestellt ist.

DIE ELEKTRISCHE VORRICHTUNG

Die elektrische Vorrichtung gemäß der Erfindung ist speziell für das hier offenbarte Verfahren ausgelegt, welches zum Vergleichen der nahezu gleichen Schallgeschwindigkeiten in den verschiedenen Kammern dient. Es sind Schallstoßgeneratoren vorgesehen, um Schallwellen an einem Ende jeder Kammer ansprechend auf elektrische Impulse zu erzeugen. Die Schallstoßgenerator-Anordnung beinhaltet einen Wandler, der auf eine Trenn- Membran aufgebondet ist. Diese Wandleranordnungen sind im Handel verfügbare Standardartikel (piezoelektrische Geräte mit einem Arbeitsbereich von 20 Hz bis 80 Hz). Andere Arten von Wandlern, die ebenfalls möglich wären, sind Elektret-, magnetisches und kunststoff-piezoelektrisches Material. Diese Wandler können ebenfalls sowohl als Sender als auch als Empfänger eingesetzt werden. Das Ansprechen auf die elektronischen Impulse beinhaltet das Anregen der Schallgeneratorwandler, die elektrische Impulse in mechanische Bewegung umsetzen, wobei die mechanische Bewegung in die Fluidprobe innerhalb jeder Kammer durch die Trenn-Membrane eingekoppelt wird. Die Schallstoß-Empfangsanordnung wandelt die Schallwellen, die sie fühlt, in elektrische Impulse um. Sie ist im wesentlichen das Gleiche wie ein Schallstoßgenerator, mit der Ausnahme, daß ein FET-Vorverstärker vorgesehen ist.

DIE ELEKTRONISCHE VORRICHTUNG

Es wird auf Fig. 6 der Zeichnungen Bezug genommen, um die elektronische Vorrichtung zu verstehen, die mit der mechanischen und der elektrischen Vorrichtung integriert ist.

A. DIE INSTRUMENTENSTEUERUNG

Das wesentliche Element der elektronischen Vorrichtung ist die Instrumentensteuerung. Sie ist auf Mikroprozessorbasis aufgebaut und hat folgende Funktionen:
1. Sie löst den Schallstoßoszillator aus, der einen Schallstoß eines elektrischen Wechselstromsignals bei einer eingestellten Frequenz erzeugt, wenn er von der Instrumentensteuerung einen elektrischen Impuls empfängt. Dies wiederum betätigt die Schallstoßgeneratoren in den verschiedenen Kammern.
2. Sie steuert die Multiplexer und Schnittstellen bezüglich des Signalprozessors, wobei Letzterer aufweist:
(a) einen Multiplexer, der es der Instrumentensteuerung gestattet, mit irgendeinem der Schallstoßempfänger verbunden zu werden;
(b) eine Empfängersperre, die das Schallstoß-Empfängersignal nach der Schallstoß-Einleitung solange dämpft, bis die Spannungsverzerrungen aufgrund von Übersprech-Rauschen unterhalb des Spannungspegels liegen, der sich aus dem Hintergrundrauschen ergibt. Dies verhindert die Verarbeitung jeglicher Signale, die sich aus Schall ergeben, der durch die Feststoffe in der Konstruktion des Führungsrohrs oder aus Störquellen gesendet wird;
(c) einen Eingangsverstärker, der die elektrische Energie von dem Schallstoßempfänger verstärkt (welcher auch immer von der Instrumentensteuerung ausgewählt und von dem Multiplexer durchgeschaltet wird), und zwar auf den Spannungspegel, der für den richtigen Betrieb des Signalprozessors erforderlich ist;
(d) ein Bandpaßfllter, welches die Elemente des elektrischen Signals dämpft, dessen Wechselstromfrequenzen sich von denjenigen Frequenzen unterscheiden, die von dem Schallstoßoszillator erzeugt werden; hierdurch wird die Anfälligkeit des Signalprozessors für Einflüsse des Hintergrundrauschens und von elektrischem Rauschen verringert;
(e) eine Detektorschaltung, die einen elektrischen Impuls erzeugt, welcher dem exakten Augenblick entspricht, zu dem der Schallstoß empfangen wird, und der dazu dient, einen elektronischen Zähler (Timer) anzuhalten, der zu Beginn der Schallerzeugung gestartet wurde;
(f) einen Timer -einen elektronischen Zähler-, der zur Messung der Laufzeit von Schallwellen verwendet wird.
3. Die Instrumentensteuerung fragt Daten von dem Timer oder den Timern, die in dem Signalprozessor oder den Signalprozessoren enthalten sind, ab und übernimmt die Daten. Diese Daten beinhalten die Anzahl von Taktimpulsen, die zwischen dem Augenblick, zu dem ein Zähler ansprechend auf den Beginn des Sendens von Schall gestartet wurde, und dem Augenblick angesammelt wurden, zu dem der Zähler ansprechend auf einen von dem Detektor in dem Signalprozessor empfangenen elektrischen Impuls gestoppt wurde, wie es oben erläutert ist.
4. Die Instrumentensteuerung führt die Berechungen des Verhältnismaß-Vergleichsverfahrens durch, wobei sie die Verhältnisse der von der Schallgeschwindigkeit abhängigen Messungen in aufeinanderfolgenden Paaren der akustischen Kammern oder Führungsrohre berechnet. Diese Berechnungen machen folgendes möglich:
(a) die "Standardisierungs"-Funktion, durch die ungleiche Abstände zwischen den Schall sendenden und Schall empfangenden Wandlern in den Kammern normiert werden. Während der "Standardisierung" wird ein und dieselbe Fluid-Spezies in sämtliche Kammern eingeleitet, und es werden für jede Kammer schallgeschwindigkeitsabhängige Messungen ermittelt. Verhältnisse aufeinanderfolgender Paare dieser Messungen sind "Normierungskonstanten", und sie werden im elektronischen Speicher abgespeichert und bei nachfolgenden Berechnungen dazu verwendet, Ungleichmäßigkeiten der Schallweglängen zu kompensieren. Offenbart ist die Standardisierung im einzelnen unter der Überschrift "Arbeitsweise", Abschnitt 4.
(b) Die verschiedenen "Registrier"-Funktionen, bei denen individuelle Fluide, Gemischzusammensetzungen und Fluidströme von der Instrumentensteuerung "gespeichert" werden: die "Registrier"-Funktionen werden von dem Benutzer eingeleitet, währenddessen die Instrumentensteuerung von der Schallgeschwindigkeit abhängige Meßwerte in den Fluiden in den einzelnen Kammern ermittelt, Verhältnisse der Meßwerte in aufeinanderfolgenden Paaren akustischer Kammern berechnet, um Registrierungskonstante zu erhalten, und diese in dem elektronischen Speicher als spezielle Vorschriftenspeicher. Die Instrumentensteuerung hält mehrere Vorschriften auf Lager und führt eine spezielle Vorschrift in ihr Betriebsprogramm ein, wenn der Benutzer dies anweist. Die verschiedenen Registrierungskonstanten und deren Verwendung sind im einzelnen im Abschnitt "Arbeitsweise", Abschnitt 5, offenbart.
5. Die Instrumentensteuerung steuert die Schnittstelle Mensch Maschine.
(a) Sie übernimmt vom Benutzer eingegebene Parameter, beispielsweise Einstellpunkte für den Abschnitt jedes individuellen Fluids des resultierenden Gemisches und Abweichungspegel (von jenen Einstellpunkten), bei denen Alarme ausgelöst werden sollten, und sie speichert diese Werte im elektronischen Speicher.
(b) Sie vergleicht die Ergebnisse der bei (3) oben gemachten Berechnungen mit diesen Daten, und sie betätigt Ausgabegeräte, beispielsweise Meßgeräte und Relais, um die Ergebnisse dieser Vergleiche dem Benutzer zu übermitteln.
6. Die Instrumentensteuerung steigert die Datenqualität mit Hilfe dreier Software-Routinen: Stördatenabweisung, digitale Datenfilterung und dynamische Datenkorrektur. Diese werden folgendermaßen beschrieben:
(a) Stördatenabweisung: Ein Datensatz ist in dem Betriebsprogramm so definiert, daß er eine Satzzahl aus einzelnen Zeitmessungen aufweist. Diese Zahl ist ausreichend klein, um das Nyquist-Abtastkriterium zu erfüllen. Wenn der Datensatz erfaßt wird, berechnet die Instrumentensteuerung seinen Mittelwert, um anschließend jede Einzelmessung mit dem Mittelwert zu vergleichen. Zulässige Abweichungen von dem Mittelwert sind in dem Betriebsprogramm eingestellt. Diejenigen einzelnen Meßwerte, die von dem Mittelwert für den Datensatz um mehr als die erwähnten zulässigen Grenzwerte abweichen, werden aus dem Datensatz entfernt. Die Instrumentensteuerung berechnet dann einen neuen Mittelwert für den Datensatz aus den verbliebenen Einzelmessungen und verwendet diesen Wert für die nachfolgenden Berechnungsschritte.
(b) Digitale Datenfilterung: das Gerät der bevorzugten Ausführungsform ist derart ausgebildet, daß es bei Fluiden mit geringer Impedanz zu arbeiten vermag, beispielsweise bei reinem Wasserstoffgas (1,17 x 10³ kg x s&supmin;¹ x n&supmin;² bei einem Bar Druck) (117 Rayls bei einer Atmosphäre). Dennoch ist es möglich, daß Daten aufgrund der geringen Amplitude der empfangenen akustischen Energie fehlerhaft sind. Die Instrumentensteuerung ist mit der Einrichtung ausgestattet, um dies zu erkennen und derartige fehlerhafte Daten auszufiltern, wobei diese Einrichtung hier als digitale Datenfilterung bezeichnet wird. Wenn die empfangene Schallwellenamplitude zu niedrig ist für einen zusammenhängenden Nachweis der Ankunftszeit der ersten positiven Halbwelle, entsprechen die individuellen Laufzeitmessungen den Ankunttszeiten jeweils der ersten, der zweiten, der dritten etc. positiven Halbwelle. Die Standardabweichung wird für jeden Datensatz berechnet, und wenn die Standardabweichung eine in dem Betriebsprogramm gespeicherte Zahl übersteigt, wird der Datensatz zurückgewiesen. Wenn die Standardabweichung geringer als die abgespeicherte Zahl ist, wird der Datensatz akzeptiert, in dem RAM gespeichert und bei späteren Berechnungen herangezogen.
(c) Dynamische Datenkorrektur: fehlerhafte Daten jeglicher Art können aus einer gravierenden Beeinträchtigung der Amplitude der empfangenen Schallwelle resultieren sowie daraus, daß der Detektor konsistent auf die Ankunftszeit der zweiten, der dritten oder gar der vierten positiven Halbwelle innerhalb des Schallimpulspakets anspricht. Die Instrumentensteuerung besitzt eine Einrichtung, um dies zu erkennen und derartige Daten zu korrigieren. Diese Einrichtung wird hier als dynamische Datenkorrektur bezeichnet. Die dynamische Datenkorrektur beinhaltet eine Initialisierungs- Routine, die automatisch immer dann ausgeführt wird, wenn ein Gerät in Betrieb gesetzt wird, oder nachdem eine Spannungsauswahl erfolgt war. Während der Initialisierung werden Datensätze erfaßt und durch die oben offenbarten Routinen der Stördatenabweisung und digitalen Datenfilterung geschickt, bis zehn von ihnen akzeptiert sind. Der Mikroprozessor bestimmt den Mittelwert dieser zehn und speichert diesen Wert in drei Stellen innerhalb des RAM. Die in den drei RAM-Speicherstellen abgespeicherten Größen werden dazu benutzt, einen Wert zu berechnen, der hier als "beweglicher Fenstermittelwert" bezeichnet wird.
Jeder Wert eines erfaßten Datensatzes wird mit dem beweglichen Fenstermittelwert verglichen, und wenn der (mittlere) Wert des Datensatzes den beweglichen Fenstermitteiwert um einen Betrag innerhalb vorab eingestellter Grenzwerte übersteigt, wird der Wert des Datensatzes automatisch dadurch korrigiert, daß von dem Wert Zeitinkremente subtrahiert (oder addiert) werden, welche der Schallfrequenz-Periodendauer entsprechen. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Schall&equenz 40 Hz, die Schall-Periodendauer folglich 25 Mikrosekunden, und die erwähnten voreingestellten zeitlichen Grenzwerte bei dieser Periodendauer betragen plus und minus 5 Mikrosekunden, die für Änderungen der Fluidzusammensetzung zugelassen werden. Die vorab eingestellten zeitlichen Grenzwerte sind also Vielfache von 25 Mikrosekunden plus und minus die zugelassenen 5 Mikrosekunden. Wenn man beispielsweise annimmt, daß der jüngste Datensatz auf der Basis seiner Standardabweichung akzeptiert wird und sein Mittelwert den beweglichen Fenstermittelwert um 52 Mikrosekunden übersteigt, so fällt dies in 45:55, so daß von dem Mittelwert des Datensatzes 50 Mikrosekunden subtrahiert werden.
Sobald jeder Datensatz die Routine der dynamischen Datenkorrektur verläßt, wird sein Wert in der ersten RAM-Speicherstelle abgespeichert, wobei er den früheren Wert zu der zweiten RAM-Speicherstelle verschiebt, den zweiten Wert zu der dritten RAM-Speicherstelle verschiebt, und der dritte Wert beseitigt wird. Dies führt zu der Erhaltung eines beweglichen Fenstermittelwerts, der aus den Werten der drei jüngsten Datensätze besteht.
Die drei hier offenbarten Software-Routinen brauchen nicht in der offenbarten Reihenfolge angewendet zu werden, sie können auch in anderen Reihenfolgen zum Einsatz gelangen, um die Leistungsfähigkeit des Instruments für verschiedene Aufgaben zu optimieren. Beispielsweise kann die dynamische Datenkorrektur auf jede Messung vor der digitalen Datenfilterung angewendet werden, wenn die Fluidzusammensetzung sehr raschen Anderungen unterliegt.
7. Die Instrumentensteuerung bildet eine Schnittstelle mit einem externen Rechner, damit Einstellpunkte und Alarmabweichungspegel eingerichtet werden und Daten aus der Instrumentensteuerung für die graphische Darstellung und die Datenspeicherung übernommen werden können.

B. DER EXTERNE RECHNER

Die den externen Rechner betreibende Software ermöglicht die Berechnung einer Vorschrift für die Fluidbestandteile und die Fluidzusammensetzung aus bekannten thermodynamischen Werten der Schallgeschwindigkeit bei Normbedingungen, außerdem die Eingabe der Registrierkonstanten für Fluidverhältnisse und Abweichungs-Alarme direkt in den elektronischen Speicher der Instrumentensteuerung. Dies stellt eine Alternative der zu der Registrierung mit reinen Fluiden und Fluidgemischen, die tatsächlich durch die akustischen Kammern des Geräts fließen, und erreicht wird dies durch Mittel, die im folgenden detailliert offenbart werden.
Zu dieser Zeit lassen sich Registrierungskonstanten für Gasgemische aufgrund komplexer thermodynamischer Wechselwirkungen nicht mit hoher Genauigkeit berechnen. Der Wert der Wärmekapazität eines individuellen Gases erwies sich als schwankend, wenn das Gas mit einer anderen Gasart gemischt wurde. Als Ergebnis ist die Genauigkeit der Berechnungen selten besser als plus oder minus 10 Prozent. Als eine praktische Alternative wurde das Gerät der bevorzugten Ausführungsform mit einer Einrichtung zum Messen der individuellen Schallgeschwindigkeiten in jeder Gemischkomponente ausgerüstet. Diese Einrichtung wird im folgenden näher erläutert (Arbeitsweise, Abschnitt 8). Diese Messungen werden dann in Einstellpunkte umgerechnet und abgespeichert, wie es im folgenden noch erläutert wird. Aus gemessenen Werten berechnete Vorschriften haben eine viel höhere Genauigkeit als jene, die aus Werten berechnet werden, die man aus einer Berechnung unter Verwendung lediglich thermodynamischer Konstanten erhält.

MESS-VERSCHACHTELUNG

Das erfindungsgemäße Gerät ist derart ausgestaltet, daß es das Nyquist- Abtastkriterium erfüllt, demgemäß Daten mit einer Frequenz erfaßt werden müssen, die doppelt so groß ist wie die Anderung der Fluidzusammensetzung. Bei einem Durchsatz von 10 Litern pro Minute und einem Innenvolumen des akustischen Analysators von 0,125 Litern, ändert sich das Fluid pro Minute 80-mal, oder mit 1,33 Hz. Daten müssen daher mit einer Häufigkeit von mehr als 2,67 Hz erfaßt werden, um das Nyquist-Kritenum zu erfüllen.
Die hier vorher offenbarten Routinen zur Sichersteilung der Qualität digita- ler Daten machen es erforderlich, daß ein Datensatz so definiert wird, daß er eine Anzahl von Messungen umfaßt, wobei im allgemeinen die Zahl Sechzehn gewählt wird. Weil mindestens 10 Millisekunden zwischen aufeinanderfolgenden Messungen frei bleiben müssen, damit Schallechos in jedem akustischen Wandler abklingen können, wird das Gerät nach der bevorzugten Ausführungsform derart eingestellt, daß in jedem akustischen Analysator Messungen bei 80 Hz vorgenommen werden. Die sechzehn Meßwerte eines Datensatzes lassen sich daher innerhalb von 200 Millisekunden ermitteln, oder mit einer Frequenz von 5 Hz, was das Nyquist- Abtastkriterium um nahezu einen Faktor von zwei überschreitet.
Durch Multiplexbetrieb, bei dem jeweils nur ein akustischer Wandler elektrisch mit dem Schallstoßoszillator und dem Signalprozessor gleichzeitig verbunden ist, erreicht man optimale Einfachheit, Effizienz und weitere Vorteile. Akustische Trennung zwischen den individuellen akustischen Analysatoren ist deshalb weniger kritisch, weil nur ein einzelner derartiger Analysator zu einer gegebenen Zeit Schall leitet. Da außerdem für sämtliche Messungen derselbe Schallstoßoszillator und Signalprozessor verwendet werden, löschen sich erzeugte systematische Meßfehler in der Verhältnismaß-Vergleichsmethode, die weiter unten noch offenbart wird, aus.
Der Multiplexbetrieb mit sowohl dem Schallstoßoszillator als auch der Signalverarbeitungsschaltung in der Weise, daß nur ein akustischer Analysator zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiv ist und nahezu gleichzeitige Meßwerte erhalten werden, gibt Zeit für das Abklingen des Restschalls zwischen aufeinanderfolgenden Messungen jedes Analysators. Bis zu acht akustische Analysatoren können in einem einzelnen Gerät im Multiplexbetrieb arbeiten, ohne daß eine Beeinträchtigung der Meßqualität in Bezug auf das Nyquist- Abtastkriterium erfolgt. Hier wird die Multiplexbildung als "Meß- Verschachtelung" bezeichnet.

NACHWEIS DER WARREN LAUFZEIT

Die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eingesetzte Meßmethode basiert auf dem Verhältnismaßvergleich der Laufzeiten und macht es erforderlich, daß der Wert der exakten Ankunftszeit der akustischen Signale in den Berechnungen verwendet wird. Die Nachweiseinrichtung, mit der dieses erreicht wird, wird weiter unten offenbart, wobei auf Fig. 8 der Zeichnungen Bezug genommen wird, die ein logisches Schaltungsdiagramm für die Taktfreigabeschaltung zeigt.
Die Polarität des akustischen Oszillators und die Polarität der Kristalle der Wandler werden derart orientiert, daß zu Beginn der empfangenen Schallenergie eine negative Halbwelle erzeugt wird. Der Schwellenwert eines Spannungsvergleichers wird mit Hilfe eines Potentiometers auf einen Wert eingestellt, der deutlich oberhalb der elektrischen und Umgebungsschall- Rauschpegel liegt, damit immer dann ein Ausgangssignal im logischen Zustand "0" erzeugt wird, wenn keine gesendete Schallenergie nachgewiesen wird, während ein Ausgangssignal mit logischem Zustand "1" ansprechend auf den positiven Teil des elektronischen Signals erzeugt wird, welches sich aus dem Empfang des akustischen Signals der Kammer ergibt. (Man kann entgegengesetzte Polaritäten verwenden).
Es wird Bezug auf Fig. 7 genommen, bei der es sich um ein Impulsdiagramm für die logische Detektorschaltung handelt. Gezeigt sind die Signalverläufe, die man auf einem Oszilloskop betrachten könnte, wenn die zeitabhängigen Messungen in einem Analysator gemäß der Erfindung vorgenommen werden:
Fig. 7A ist der Verlauf der Signalwelle (bei der willkürlich zwei getrennte Anregungsimpulse von 40 KHz gewählt sind), die den Schallstoßgenerator betätigt;
Fig. 7B ist ein Wellenzug des Signals, welches von dem Schallstoßempfänger erzeugt wird (zwei Höcker sind Nebensprechen oder remanentes Rauschen). Die Wellenformen werden ausquadriert, um die Einzelheiten der geringen Wellenamplitude zu Beginn des Empfangs der Schallwelle darzustellen;
Fig. 7C ist die Wellenform des Signals, welches dazu dient, eine falsche Detektorbetätigung durch Nebensprechen oder remanentes Rauschen zu unterbinden;
Fig. 7D ist die Wellenform des Signals am Ausgang des Spannungsschwellenwertdetektors, nachdem die Austastung des Empfängers vorgenommen wurde;
Fig. 7E ist die Wellenform des Signals, welches die Zeitsteuerzähler auf Null setzt, wenn das Signal in den logischen Zustand Null geht;
Fig. 7F ist die Wellenform des Signals, welches die Zeitsteuerzähler freigibt, wenn es im logischen Zustand Null ist (auf der Zeitachse ist das Intervall t&sub1; diejenige Zeitspanne, während der der Timer Impulse bei einer Halbwelle der Hauptoszillatorfrequenz ansammelt, t&sub2; ist die Zeitspanne, in der der Timer Impulse mit der Hauptoszillatorfrequenz ansammelt);
Fig. 7G ist die Wellenform des Signals des Hauptoszillators;
SENDEN (Fig. 7A): Empfängt ein Signal logisch "1" von dem Schallstoß oszillator immer dann, wenn der Oszillator tief ist, das heißt Schall gesendet wird, und ein Signal logisch "0" in der übrigen Zeit; und
VERGL.-AUSG. (Fig. 7D): Empfängt das logische Signal von dem Spannungsvergleicher, dessen Funktion oben beschrieben ist. Es wird auf Fig. 8 Bezug genommen.
BETRIEB DER STUFE 1: Ein Negator UIA invertiert das Vergleichersignal, so daß dieses den logischen Zustand "1" hat, wenn kein akustisches Signal empfangen wird, und der Zustand "0" immer dann beträgt, wenn der positive Teil der empfangenen Wellenform die Auslöse-Schwellenspannung des Vergleichers übersteigt. Ein zweiter Negator U2A invertiert das Sendesignal, um einen logischen Zustand "0" zu erzeugen, wenn der Schallstoßoszillator aktiviert ist. Dieses Signal dient dann zum Zurücksetzen eines Flip-Flops U3A in einen logischen Zustand "0", wenn der Schallstoßoszillator aktiviert ist. Dieses Flip-Flop U3A wird in den logischen Zustand "1" gesetzt, wenn der erste Schallimpuls nachgewiesen wird. Da das Flip-Flop durch die Vorderflanke gesteuert wird und das Vergleichersignal invertiert ist, erfolgt der tatsächliche Umschaltvorgang des Ausgangssignals des Flip- Flops bei der Abfallflanke des Vergleichersignals. Das Ausgangssignal des Flip-Flops ist daher ein Übergang von logisch "1" auf "0" zu Beginn des Sendens von Schall, und von "0" auf "1", wenn die dem empfangenen Schallsignal entsprechende Spannung unter die Schwellenspannung des Detektors abfällt;
BETRIEB DER STUFE 2: Die Stufe 2 ist der Stufe 1 mit der Ausnahme analog, daß der Negator U1A entfällt. Das Ausgangssignal des Flip-Flops U1B macht einen Übergang vom logischen Zustand "1" auf "0" zu Beginn des Sendens von Schall, und vom logischen Zustand "0" auf "1", wenn die dem empfangenen Schallsignal entsprechende Spannung über den Spannungsschwellenwert des Detektors ansteigt; und
BETRIEB DER STUFE 3: Ein Hauptoszillatorsignal wird von einem Negator U1C invertiert, und das invertierte Signal ist das Taktsignal (CLK), welches in das D-Flip-Flop U2C eingegeben wird. Das Flip-Flop ist derart aufgebaut, daß es bei jeder Anstiegsflanke des CLK-Eingangs umschaltet. Der Ausgang des Flip-Flops liefert eine Rechteckwelle bei der halben Frequenz des CLK-Eingangssignals. Die Ausgangsignale der Stufen 1 und 2 (ENBA und ENBB) stellen Eingangssignale eines "Exklusiv-Oder"-Gatters U2C dar, dessen Ausgang den logischen Zustand "0" mit der Ausnahme eines Intervalls einnimmt, in welchem der Spannungspegel des empfangenen Schallsignals den Schwellenwert des Detektors übersteigt; dann hat es den logischen Zustand "1". Ein UND-Gatter U3 C ist an den Ausgang des Flip- Flops und den Ausgang von U5C geschaltet. Sein Ausgangssignal entspricht dem logischen Züstand "0" mit Ausnahme des oben beschriebenen Intervalls, in welchem es eine Rechteckwelle mit der halben Hauptoszillatorfrequenz liefert. Die Eingange eines ODER-Gatters U4C sind ENBA (von Stufe 1) und das Ausgangssignal von U3C. Das Ausgangssignal von U4C geht von logisch "1" auflogisch "0" zu Beginn der Schallübertragung und schaltet bei der halben Oszillatorfrequenz während des Intervalls um, in welchem der Spannungspegel des empfangenen Schallsignals den Schwellenwert des Detektors übersteigt, um dann in den logischen Zustand "1" überzugehen, bis es zurückgesetzt wird.
Das Ausgangssignal der Stufe 3 (U4C) dient als Freigabe für die Zählschaltung, die Taktimpulse bei der Frequenz des Hauptoszillators zählt zwischen dem Beginn der Schallübertragung und dem Augenblick, in welchem der Pegel des empfangenen Schallsignals den Spannungsschwellenwert des Detektors übersteigt, und die dann Taktimpulse bei der halben Frequenz des Hauptoszillators zwischen dem Augenblick und dem Moment zählt, zu dem das empfangene Schallsignal unter die Schwellenspannung des Detektors abfällt. Das Ergebnis ist ein Zählerstand, welcher der Ankunft der Spitzenamplitude (Fig. 78-b) der ersten positiven Halbwelle des Schallsignals entspricht. Die Instrumentensteuerung erfaßt die Zähidaten und berechnet die Ankunftszeit der Vorderkante des Impulspakets (Fig. 78-a), indem sie die 270º betragende Phase berücksichtigt, die zwischen den Zähldaten und dem tatsächlichen Zeitpunkt der Ankunft der Schallenergie berücksichtigt und zu dem tatsächlichen Zeitpunkt der Ankunft zurückzählt, indem sie von den Zähidaten einen Zählerstand subtrahiert, welcher diesen 270º der Phase entspricht. Die Frequenz des Hauptoszillators wird durch eine numerische Konstante dividiert, um die Frequenz des Schallwellenoszillators zu bilden. Der den 270º der Phase entsprechende Zählwert ist folglich eine numerische Konstante in dem Speicher der Instrumentensteuerung, die es ermöglicht, unabhängig von der Drift des Oszillators exakt 270º zu subtrahieren.
Das hier offenbarte Nachweisprinzip berücksichtigt die Messung aufeinanderfolgender Halbwellen in ein und demselben Impulspaket, um die Meßgenauigkeit zu verbessern.
Das Prinzip des Laufzeitnachweises und dessen hier offenbarte Implementierungen bedeuten Verbesserungen der Laufzeitmeßtechnologie deshalb, weil sie separate Schritte für die Aktivierung und Triggerung ebenso erübrigen wie Einstellungen von Schwellenspannungen sowie die Steuerung des Pegels des empfangenen Schallsignals, wie dies nach dem US-Patent 4 596 133 von Smalling erforderlich ist. Wenn diese Nachweisprinzip kombiniert wird mit der Verhältnismaß-Vergleichsmethode, wird ein Gerät geschaffen, mit dem sämtliche Quellen von Meßfehlern symmetrisch sind, die Meßgenauigkeit absolut ist und die Genauigkeit der Messungen nur beschränkt wird durch den Pegel der Signalenergie, durch Signalverzerrungen und die Präzision der elektronischen Bauteile.
Dieses Nachweisprinzip stellt außerdem eine Einrichtung dar, mit der die Vorrichtung zur Schallerzeugung und zum Empfangen von Schall sowie die Signalprozessoren auf richtige Betriebsweise geprüft werden. Wenn ein logischer Zustand "1" nicht im Anschluß an die Betätigung der den Schall erzeugenden Wandleranordnung vorliegt, läuft der Zähler über, und die Instrumentensteuerung erkennt, daß es zu einer Fehlfünktion gekommen ist.

ARBEITSWEISE

Was folgt, ist eine Beschreibung der Verhältnismaß-Vergleichsmethode, wie sie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Instruments verwendet wird:
1. Laufzeitmessungen beziehen sich auf die Schallgeschwindigkeit gemäß folgender Gleichung:
wobei V die Geschwindigkeit, T die Laufzeit und L die Länge des akustischen Wegs bedeuten.
2. Die Temperatureinflüsse: Schallgeschwindigkeit in Gasen drückt sich wie folgt aus:
v = [RTγ/M] 2.
wobei γ das Verhältnis der spezifischen Wärme CP/CV R die allgemeine Gaskonstante, T die absolute Temperatur und M das Molekulargewicht ist.
Bei zum Stand der Technik gehörigen Ausführungsformen werden Anderungen der Schallgeschwindigkeit gemessen.
v&sub1; - v&sub2; = [RTγ&sub1;/M&sub1;] - [RTγ&sub2;/M&sub2;] = RT [γ&sub1;/M&sub1;] - [γ&sub2;/M&sub2;] 3.
Gleichung 3 zeigt, daß der Wert der Temperatur ein Multiplikator ist und daher entweder gemessen werden oder bekannt sein muß. Das hier offenbarte Vergleichsverfahren basiert auf den Verhältnissen der Schallgeschwindigkeiten:
Die Temperatur kürzt sich aus der Gleichung aus und braucht deshalb nicht gemessen zu werden oder bekannt zu sein, so lange sämtliche Messungen bei gleicher Temperatur erfolgen. Die Geräteausgestaltung trägt hierfür Sorge.
Temperatureinflüsse höherer Ordnung: bei den normalerweise angetroffenen Temperaturen, die in der Nähe der Umgebungstemperatur liegen, schwanken die Werte von y weniger als eins pro tausend ºC. Wenn daher sämtliche Messungen bei gleicher Temperatur erfolgen und von der Verhältniszahl-Vergleichsmethode Gebrauch gemacht wird, sind keine getrennten Temperaturmessungen oder Korrekturen erforderlich.
3. Linearität des Verhältniszahl-Vergleichsverfahrens:
Die unten verwendeten Indizes werden folgendermaßen verwendet:
(a) Indizes 1, 2, 3, etc. bezeichnen aufeinanderfolgende Kammern;
(b) Indizes A, B, C, etc. bezeichnen Laufzeiten individueller Fluidspezies;
(c) Indizes m1, m2, m3, etc. bezeichnen Laufzeiten von Fluidgemischen in einzelnen akustischen Analysatoren; und
(d) X bedeutet den Molenbruch.
Aus der Mischregel ergibt sich:
XA + XB + XC + etc. = 1 5.
Fluide werden seriell zusammengeführt und gemischt, wie es oben erläutert wurde. Mit Ausnahme der Kammer Nr.1 enthält jede Kammer ein binäres Gemisch, welches sich aus zwei Fluiden zusammensetzt, und unter stabilen Strömungsverhältnissen ist jedes eine stabile Zusammensetzung. Unter Verwendung der Mischregel für ein binäres Gemisch:
XA + XB = 1 6.
und
XA = 1 - XB 7.
Die Laufzeit von Schallwellen in einem Fluidgemisch drücken sich folgendermaßen aus:
Tm1 = TAXA + TBXB 8.
Einsetzen in Gleichung 7 liefert:
Tm1 = TA(1 - XB) + TBXB 9.
Das Verhältnis drückt sich folgendermaßen aus:
Ein Umschreiben der Gleichung liefert:
Man beachte: Die linke Seite der Gleichung 11 enthält das Verhältnis TM1/TA, welches das Verhältnis von zwei Laufzeiten von Schallwellen bei der Temperatur des Geräts bedeutet. Die rechte Seite der Gleichung 11 enthält das Verhältnis TB/TA, welches das Verhältnis von zwei Laufzeiten bei einer Normtemperatur (25ºC) bedeutet. Die zwei Werte TA unterscheiden sich offensichtlich voneinander und es zeigt sich auf einen ersten Blick, daß die Gleichung nicht erfüllt ist. Da allerdings die Gleichung 4 besagt, daß das Verhältnis von zwei Laufzeiten (oder Resonanzfrequenzen) bei sämtlichen Temperaturen konstant ist, ist die linke Seite der Gleichung 1 gleich dem Verhältnis der zwei Laufzeiten, die bei der Normtemperatur gemessen würden.
Das heißt TM1/TA bei irgendeiner Temperatur entspricht TM1/TA bei 25ºC. Deshalb ist die Gleichung 11 zulässig.
Man erhält eine lineare Gleichung der Form Y = MX + B, wobei:
TM1/TA das gemessene Laufzeitverhältnis entsprechend Y ist und Konstanten sind und M entsprechen.
l ist eine Konstante, die dem Parameter B entspricht.
XB ist die zu bestimmende Variable und entspricht X.
Man sieht, daß das Verhältnis TM1/TA eine lineare Funktion des Molenbruchs XB ist, da sämtliche anderen Terme Konstante sind.
4. Normieren der Abstände zwischen den Wandlern in jedem akustischen Analysator mit Hilfe der Verhältniszahl-Vergleichsmethode; da die einzelnen Längen der verschiedenen akustischen Analysatoren eines Geräts variieren, stellt die hier offenbarte Verhältniszahl-Vergleichsmethode ein Mittel zur Normierung der einzelnen Längen der mehreren Kammern dar. Eine "Normierungs"-Funktion ist für diesen Zweck vorgesehen. Umschreiben der Gleichung 1 liefert:
V = L/T 12.
wobei V die Geschwindigkeit, L die Länge des akustischen Analysators und T die Laufzeit bedeuten.
In sämtliche akustische Analysatoren wird die gleiche Gasspezies gleichzeitig eingeleitet, und es werden die individuellen Laufzeiten gemessen. Aus der obigen Gleichung ergibt sich:
V = L&sub1;/T&sub1; = L&sub2;/T&sub2; = L&sub3;/T&sub3;, etc. 13.
und
L&sub1;/L&sub2; = T&sub1;/T&sub2;, L&sub2;/L&sub3; = T&sub2;/T&sub3; , etc. 14.
Die Werte für L der verschiedenen Kammern stehen zueinander folgendermaßen in Beziehung:
wobei Kn1, Kn2 etc. die Normierungskonstanten sind. Deshalb gilt:
5. Registrierung eines Fluidzusammensetzungs-Rezepts unter Verwendung der Verhältniszahl-Vergleichsmethode: Wenn die Komponenten eines Fluidgemisches richtig eingestellt sind und seriell durch das Gerät geleitet werden, kann das Gerät das Gemisch dadurch "speichern", daß es Registrierungskonstanten berechnet und diese Konstanten in dem elektronischen Speicher abspeichert. Vor der Registrierung eines Fluidgemisches betragen die Laufzeiten T&sub1;, T&sub2;, T&sub3;, etc.
Nach der Registrierung werden die Verhältnisse folgendermaßen berechnet:
und
wobei KR1, KR2, etc. Registrierungskonstanten sind.
6. Messung und Registrierung der Strömungsgeschwindigkeit: es werden zwei akustische Analysatoren verwendet, wobei einer für die normale Proben-Einleitung und der zweite zur Strömungsmessung ausgebildet ist (siehe Fig. 3). Dem zweiten akustischen Analysator wird kein weiteres Fluid zugeleitet, so daß beide Analysatoren die gleiche strömende Probe enthalten.
Umschreiben der Gleichung 1 ergibt:
T = L/V 19.
Kombinieren der Gleichungen 14 und 15 ergibt:
L&sub1;/L&sub2; = T&sub1;/T&sub2; = Kn1 20.
Auflösen nach L&sub1; ergibt:
L&sub1; = Kn1L&sub2; 21.
Kombinieren der Gleichungen 19, 20 und 21 ergibt:
Da in beiden akustischen Analysatoren die gleiche Fluidzusammensetzung strömt, in dem ersten jedoch Schallwellen gleiche Entfernungen entgegen gesetzter Richtung des Stroms durch Messen und in dem zweiten der gesamte Fluidstrom in der Richtung (oder entgegen der Richtung) der Schallwellenausbreitung erfolgt, ist jegliche stattfindende Abweichung von dem Wert EINS des Schallgeschwindigkeitsverhältnisses ein Maß für das Verhältnis des Fluidstroms zu der Schallgeschwindigkeit innerhalb dieses Fluids:
wobei VF die Strömungsgeschwindigkeit ist, und
wobei KF1, KF2, etc. die Strömungs-Registrierungskonstanten sind.
Gleichung Nr. 11 zeigt, daß die mit der Verhältniszahl-Vergleichsmethode berechneten Laufzeitverhältnisse lineare Funktionen der Abweichungen von den Strömungs-Einstellpunkten sind.
7. Registrierung individueller Fluidbestandteile vor dem Mischen.
Die Verhältniszahl-Vergleichsmethode kann in der Weise genutzt werden, daß das Instrument nach der bevorzugten Ausführungsform in der Lage ist, zu bestätigen, daß die korrekten einzelnen Fluide für die Mischung eingesetzt werden. Zwischen den einzelnen akustischen Analysatoren sind Rückschlagventile eingesetzt, damit nur ein in Vorwärtsrichtung bewegter serieller Strom möglich ist. Fluid A füllt den Analysator #1, dann wird der Strom des Fluids A angehalten. Fluid B füllt den Analysator #2, dann wird der Strom des Fluids B angehalten. Das Rückschlagventil verhindert, daß das Fluid B in den Analysator #1 gelangt und sich mit dem darin enthaltenen Fluid A vermischt. Dieser Prozeß wird für sämtliche akustischen Analysatoren des Geräts iteriert. Alternativ kann ein Parallelstrom-Aufbau verwendet werden. Die einzelnen Laufzeiten werden von dem Gerät gemessen und werden in der Form T&sub1;, T&sub2;, T&sub3;, etc. festgehalten.
Die Einheit wurde zuvor normiert, so daß, wenn die individuellen Fluide in den einzelnen Analysatoren enthalten sind, gilt:
wobei KC1, KC2, etc. die Fluidkomponenten-Konstanten sind.
8. Ermitteln von schallgeschwindigkeitsabhängigen Messungen in einem unbekannten Fluid: es werden zwei akustische Analysatoren eingesetzt: Analysator #1, der hier als Referenz dient, und Analysator #2, der als Probe bezeichnet wird. Ein Fluid, dessen Schallgeschwindigkeit bekannt ist, beispielsweise trockene Luft, Wasserstoff, Stickstoff etc., füllt den akustischen Referenzanalysator, und das unbekannte Fluid füllt den akustischen Probenanalysator. Der Strömungsweg wird auf Parallelstrom eingestellt, so daß keine Fluidmischung stattfindet. Es werden die Schall-Laufzeiten gemessen.
Umschreiben der Gleichung 1 liefert:
T = L/V 19.
Kombinleren der Gleichungen 14 und 15 ergibt:
L&sub1;/L&sub2; = T&sub1;/T&sub2; = Kn1 20.
Auflösung nach L&sub1; ergibt:
L&sub1; = Kn1L&sub2; 21.
Kombinieren der Gleichungen 19, 20 und 21 ergibt:
Umschreiben der Gleichung 22 liefert:
Die Schallgeschwindigkeit für das unbekannte Fluid unter Normbedingungen wird direkt (bei irgendeiner Temperatur) aus den Daten der gemessenen Laufzeit unter Verwendung eines Fluids mit bekannter Schallgeschwindigkeit unter Verwendung der Verhältniszahl-Vergleichsmethode gemessen, da T&sub1; und T&sub2; gemessen werden, V&sub1; bekannt ist und Kn1 eine Konstante ist.
9. Berechnung und Laden eines Fluidzusammensetzungs-Rezept unter Verwendung eines externen Rechners: es müssen die tatsächlichen Geschwindigkeiten für die Gemischkomponenten bekannt sein und in das Rechnerprogramm eingegeben werden. (Das Gerät enthält eine Einrichtung zum Messen dieser Größen, wie es oben offenbart ist.) Die gewünschten Molenbrüche für jede Komponente des zu bildenden Gemisches werden anschließend eingegeben. Als nächstes wird die Reihenfolge der Komponenten-Mischung eingegeben. Das Rechnerprogramm berechnet den Molenbruch (X) für jede Stufe des Mischvorgangs unter Verwendung der Gleichung 6, und es berechnet die Registrierungskonstanten KR1, KR2 etc. unter Verwendung der Gleichung 17 für jede Mischstufe. Die berechneten Registrierungskonstanten werden zu der Instrumentensteuerung übertragen, die sie im elektronischen Speicher abspeichert. Es werden maximal zulässige Abweichungsgrenzen in der gleichen Weise berechnet in in dem elektronischen Speicher der Instrumentensteuerung abgespeichert.

VORTEILE UND VERBESSERUNGEN

Ein gewisser Stand der Technik, beispielsweise der von Panametrics in dem US-Patent 4 596 133, verwendet Schall-Laufzeit-Messungen in der Weise, daß Messungen in einem Prozeßstrom möglich sind, in denen sich die Fluiddurchsätze rasch ändern. Die verwendete Methode ist so beschaffen, daß Schallwellen abwechselnd in die Richtung und entgegen der Richtung des Prozeßfluid-Stroms gesendet werden. Diese Methode gestattet die Berechnung sowohl der Schallgeschwindigkeit als auch der Strömungsgeschwindigkeit anhand der Laufzeitmessungen. Das durchschnittliche Molekulargewicht des Fluidgemisches wird abgeschätzt durch Verwendung der Beziehungen zwischen der Wärmekapazität, dem Molekulargewicht und der Temperatur zu der Schallgeschwindigkeit. Die Temperatur muß gemessen werden, entweder mit Hilfe eines Temperatursensors oder durch Verwendung einer temperaturabhängigen Kennlinie der Wandleranordnungen, und die analytischen Ergebnisse mussen hinsichtlich der Temperatur korrigiert werden. Dieser Stand der Technik macht tatsächlich von einer Einzelkammer Gebrauch, wobei die Prozeßleitung diese Kammer bildet, es ist kein Führungsrohr zum Zweck der Führung der Schallwellen erforderlich.
Ein weiterer Stand der Technik, wie er beschrieben ist in dem Artikel der November-Ausgabe von Review of Scientific Instruments, 1986, verwendet eine einzelne Resonanz, um auf Schallgeschwindigkeit basierende Meßwerte zu erhalten.
Ein noch weiterer Stand der Technik (der Artikel in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research) schlägt eine Auswertung verschiedener Verfahren zum Berechnen der Schallgeschwindigkeit in binären Gasgemischen vor. Berichtet wird von der Korrelation zwischen den Berechnungen unter Verwendung unterschiedlicher Gleichungen von Zustandstests und aktuellen Tests. Die in diesem Artikel vorgestellten Untersuchungen richten sich vollständig auf die Auswertung unterschiedlicher Gleichungen für die Schallgeschwindigkeits-Berechnung. Die eingesetzte Apparatur ist eine Einzel-Laufzeit-Kammer der Bauart, wie sie ein halbes Jahrhundert lang für derartige Messungen eingesetzt wurde. Schallgeschwindigkeiten werden auf die Differenz hin verglichen, gefolgt von Temperaturmessungen und Datenkorrektur.
Die Autoren berichten, daß die Schallgeschwindigkeitsmessungen für Gasgemische inhärent ungenau sind, und daß zur genauen Abschätzung von binären Gaszusammensetzungen anhand von auf Schallgeschwindigkeit basierenden Daten es notwendig ist, zahlreiche Laufzeitmessungen bei variierenden Molenbrüchen für jedes binäre Gemisch durchzuführen, eine "Nachschlagetabelle" zu erzeugen, und zwischen den einzelnen Werten zu interpolieren. Zu diesem Zweck kann ein Rechner eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung umgeht diese Probleme dadurch, daß sie eine empirische Registrierung von Einstellpunkten zuläßt, wie es oben beschrieben wurde, und Abweichungen von diesen Einstellpunkten angibt.
Bei all diesem konventionellen Stand der Meßtechnik erfolgt ein Vergleich von auf Schallgeschwindigkeit basierenden Größen nach der Differenz, nicht jedoch gemäß einem Verhältnis, und stets ist eine Temperaturmessung erforderlich.
Das Gerät und das Verfahren gemäß der Erfindung stellen Verbesserungen in sämtlichen Aspekten gegenüber dem Stand der Technik dar. Durch Beziehen der Frequenzen des akustischen Oszillators (der zur Schallimpulserzeugung verwendet wird) und des Hauptoszillators (der zur Laufzeit- Taktgebung verwendet wird), sind Messungen der wahren Laufzeit möglich geworden. Diese Messungen sind unabhängig von Betriebsparametern des Geräts, beispielsweise der Signalamplitude und dem Detektor- Schwellenwert. Die Verhältniszahl-Vergleichsmethode ermöglicht dem Gerät, Daten zu erzeugen, die keine Drift-Komponente aufweisen. Tatsächlich besitzt das erfindungsgemäße Gerät keinen systematischen Fehler, und da die Schallgeschwindigkeit in einem Fluid ein physikalischer Beiwert ist, lassen sich Einstellpunkt-Vorschriften zwischen getrennten Instrumenten übertragen. Die Fluidzusammensetzungs-Analyse mit Hilfe dieses Geräts und dieses Verfahrens benötigt keine Neukalibrierung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur nahezu gleichzeitigen Messung unter Verwendung von Multiplex-Bildung und Verschachtelungsbetrieb in mehreren Kammern mit strömenden Proben in entweder sequentiellen, parallelen oder seriellen Strömungswegen gestattet einfache schallgeschwindigkeitsabhängige Messungen auf Zeitbasis von binären Gemischen, die miteinander zu kombinieren sind, um Bestandteilsanalysen der einzelnen Fluidgemisch- Komponenten zu liefern.
Das Verfahren des Verhältniszahl-Vergleichs der Messungen, die von der Schallgeschwindigkeit abhängen, vereinfacht Berechnungen und erleichtert die Automatisierung für den industriellen praktischen Einsatz. Das Erfordernis, Temperaturschwankungen zu messen und Korrekturen vorzunehmen, besteht nicht. Die Normierung einzelner Führungsrohr-Längen im Anschluß an ein Auseinandernehmen und Wartungsarbeiten vereinfacht sich ebenso wie Registrierungen von Gemischzusammensetzungen, -strömungen, und Fluidkomponenten. Das empirische Einrichten von Einstellpunkten ist eine praktische Innovation, die es möglich macht, daß vorhandene Fluidmischvorgänge von der akustischen Überwachung der Fluidzusammensetzung profitieren. Einstellpunkte können auch mit Hilfe eines Rechnerprogramms eingerichtet und in dem Gerät abgespeichert wer den. Das Rechnerprogramm erfordert, daß die Schallgeschwindigkeiten der einzelnen Fluidgemischkomponenten bekannt sind, und eine Messung von Schallgeschwindigkeiten in unbekannten Fluiden ist mit Hilfe des Geräts und des Verfahrens möglich, indem auf ein bekanntes Fluid Bezug genommen wird. Sämtliche Abweichungen von Zusammensetzungs- und Strömungs-Einstellpunkten sind linear. Keiner dieser praktischen Vorteile ist durch den Stand der Technik nahegelegt worden.
Während die Erfindung in beträchtlicher Einzelheit dargestellt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese ausgeführten Einzelheiten beschränkt, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Analysevorrichtung zum Überwachen und Steuern der Bestandteile, der Zusammensetzung und/oder der Strömung eines Fluids durch Messungen, die von Schallgeschwindigkeit abhängen, umfassend:

mindestens einen akustischen Analysator (21), der eine Fluidprobenaufnahmekammer (29) mit einem darin angeordneten Schallwellenführungsrohr (23) aufweist;

eine Einrichtung (31) zum Einleiten eines Fluidprobenstroms in die Kammer (29) und zum Austragen des Fluidstroms aus der Kammer;

einen einen an einem Ende der Kammer (29) angeordneten Wandler enthaltenden Schallstoßgenerator (25), der dazu ausgebildet ist, einen Schallstoß in dem Schallwellenführungsrohr (23) ansprechend auf einen elektrischen Impuls zu erzeugen;

einen einen an dem anderen Ende der Kammer (29) angeordneten Wandler aufweisenden Schallstoßempfänger (27), der dazu ausgebildet ist, einen Schallstoß, der die Länge des Führungsrohrs (23) durchlaufen hat, in elektrische Impulse umzuwandeln; und

eine Einrichtung zum Messen der Zeitspanne zwischen dem elektrischen Impuls, welcher den Schallstoß auslöst, und den zugehörigen elektronischen Impulsen, die von dem Schallstoßempfänger (27) erzeugt werden;

dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin aufweist: eine Einrichtung, die sämtliche Fluidproben während des Analysevorgangs auf gleicher Temperatur hält;

eine Einrichtung zum Verhältnismaß-Vergleichen der Zeitspannen für verschiedene Fluidproben auf der Grundlage der Verhältnisse der Laufzeiten des Schallstoßes durch das Fluid in dem Analysator (21); und eine Einrichtung zum Aufzeichnen und zum Verarbeiten der Vergleichsergebnisse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Schallstoßgenerator und der Schallstoßempfänger (25; 27), die in dem Analysator angeordnet sind, Wandler aufweisen, die außerhalb der Probenaufnahmekammer angeordnet sind, und die an korrosionsbeständige Membranen gebondet sind, welche die Wandler von den zu prüfenden Fluiden trennen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kammer mit einer Verzweigung (31) ausgestattet ist, die sich mittwegs der Kammer befindet, um Probenfluide in die Mitte des Führungsrohrs (23) einzubringen, und um den Rückstrom des Probenfluids von den Kammerenden aufzunehmen und das Probengas in einen Prozeßstrom oder in eine weitere akkustische Analysatorkammer auszutreiben, wobei die Verzweigung in einem Mittelblock aus korrosionsbeständigem Material mit hoher Wärmeübertragung gebildet ist, der druck- und temperaturangepaßt in einer Folgekette gekoppelt werden kann, um eine Kette von Analysatoren zu bilden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Mehrzahl akustischer Analysatoren (21) verwendet wird und der Fluß der Fluide in dem Probenstrom seriell durch die mehreren Analysatoren hindurch erfolgt, und Fluidflußkomponenten in Reihe addiert werden, indem ein zusätzliches Fluid pro akustischem Analysator (21) dem Probenstrom hinzugefügt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Mehrzahl akustischer Analysatoren (21) verwendet wird und der Fluß von Fluiden in den akkustischen Analysatoren parallel erfolgt und es keine Mischung der Fluidproben gibt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Einrichtung zum Verwenden des Verhältnismaß-Vergleichs, wobei Abweichungen von dem Wert eins der Verhältnisse Alarme auslösen, um Beobachter aufmerksam zu machen oder Fluidfluß-Steuermechanismen zu betätigen.

7. Verfahren zum Überwachen der Bestandteile und der Zusammensetzung von Gasgemischen, umfassend die Schritte:

Einleiten einer zu überwachenden Probe eines Gasgemisches in einen akustischen Analysator (21);

Erzeugen von Schall in der überwachten Probe; und Bestimmen der Laufzeit einer Schallwelle in der überwachten Probe oder der Frequenzperiode für eine Schallwelle in dem Analysator (21); gekennzeichnet durch folgende weiteren Schritte:

Einleiten einer Probe eines Referenz-Gasgemisches in denselben oder einen anderen Analysator, wobei die Referenzgasprobe und die überwachte Gasprobe gleiche Temperatur haben;

Erzeugen von Schall in der Referenzprobe;

Bestimmen einer zeitbezogenen Messung des Schalls in der Referenzprobe, wobei die Messungen in beiden Bestimmungsschritten vom gleichen Typ sind;

Erzeugen eines ersten Verhältnisses zwischen der zeitbezogenen Messung der Referenzprobe und derjenigen der überwachten Probe;

Vergleichen des erzeugten Verhältnisses mit Einsteilpunkten; und

Alarmgabe oder Betätigung von Stromsteuermechanismen, falls das Verhältnis so schwankt, daß es über vorab ausgewählte Abweichungen gegenüber den Einstellpunkten hinausgeht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das überwachte Gasgemisch anschließend durch einen geeigneten chemischen Fangstoff geleitet wird, um aus ihm einen spezifischen Gasbestandteil selektiv und vollständig zu entfernen, und ein zweites Verhältnis bestimmt wird, welches mit dem ersten Verhältnis verglichen wird, um die Konzentration der abgefangenenen Gasspezies zu bestimmen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das überwachte Gasgemisch dadurch geändert wird, daß ihm ein spezifischer Gasbestandteil hinzugegeben wird und ein zweites Verhältnis bestimmt wird, welches mit dem ersten Verhältnis verglichen wird, um die Konzentration der hinzugefügten Gasspezies zu bestimmen.

10. Verfahren nach Anpspruch 7, 8 oder 9, bei dem die zeitbezogenen Messungen verschiedener Proben nahezu gleichzeitig in einer Mehrzahl getrennter, temperaturgekoppelter Analysatoren durchgeführt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Gasgemischfluß durch mehrere in Reihe angeordnete Analysatoren und das Hinzufügen von Fluidfluß-Komponenten zu dem Probenstrom ebenfalls in Reihe mit einem zusätzlichen Fluid erfolgt, welches dem Probenstrom pro Analysator hinzugegeben wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Einsteilpunkte durch ein Verfahren erhalten werden, welches umfaßt:

Einleiten der Bestandteilfluide des ersten oder des zweiten Gasgemisches in getrennte Analysatoren oder sequentielles Einleiten der Fluide in ein und denselben Analysator innerhalb der Vorrichtung;

Gewinnen von schallgeschwindigkeitsabhängigen Meßwerten für jedes einzelne Fluid; und

Verhältnismaß-Vergleichen von Paaren aufeinanderfolgender Messungen, um die Einstellpunkte zu gewinnen.

13. Verfahren nach Anspruch 7, bei der Fluß der Gasgemische durch mehrere Analysatoren parallel erfolgt und es keine Vermischung der Fluidproben gibt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem die Schallerzeugungsschritte das Umwandeln elektrischer Impulse in Schallstöße beinhaltet, die durch das Gasgemisch in dem Analysator gesendet werden und

die Bestimmungsschritte das Fühlen der Schallstöße und das Umwandeln der gefühlten Schallstöße in elektrische Impulse umfaßt, außerdem das Messen der Zeit, die verstreicht, zwischen den elektrischen Impulsen, die die Schallstöße in jedem Gemisch auslösen, und dem Beginn der resultierenden elektrischen Impulse, die von der Schallstoßfühleinrichtung erzeugt werden, wodurch

wahre Laufzeitmeßwerte dadurch erhalten werden, daß man den Zeitpunkt des Beginns einer sinusförmigen Schwingung, der aus dem Empfang des Schallstoßes resultiert, berechnet, wobei die wahre Laufzeit die Zeitspanne ist, die zwischen dem Beginn des Sendes und dem Beginn des Empfangs der aus dem Schallstoß resultierenden sinusförmigen Schwingung liegt; und

Ergebnisse des Schritts der Verhältniserzeugung ausgedrückt werden in dimensionslosen Zahlen ohne systematischen Fehler.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem eine Mehrzahl akustischer Analysatoren genormt wird, um den Einfluß von Langendifferenzen der Analysatoren bei dem Vergleichsschritt zu eliminieren, indem in dem Vergleichsschritt einen Division durch Normalisierungskonstante einbezogen wird, wobei die Konstanten durch ein Verfahren erhalten werden, welches folgende Schritte aufweist:

Einleiten derselben Fluidspezies in sämtliche akkustische Analysatoren bei gleicher Temperatur;

Ermitteln von laufzeit-abgleiteten Meßwerten für jeden die Spezies enthaltenden akkustischen Analysator; und

Verhältnismaß-Vergleichen eines oder mehrere Paare von Meßwerten für unterschiedliche akkustische Analysatoren, um eine oder mehrere Normalisierungskonstante zur Verwendung bei dem Vergleichsschritt zu erhalten.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem Registrierungskonstanten erhalten werden zum Zweck der Einrichtung von Einstellpunkten für die nachfolgende Überwachung von Abweichungen von diesen Einstellpunkten, wenn Bestandteilfluids- Spezies oder resultierende Fluidgemische in einzelne akkustische Analysatoren eingeleitet werden, wobei das Verfahren die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in irgendeiner der Fluidspezies, in der die schallbezogenen Meßwerte erhalten werden, erübrigt, und die Registrierungs konstanten durch ein Verfahren erhalten werden, welches folgende Schritte beinhaltet:

Einleiten der zu registrierenden Fluidspezies in jeden Analysator bei gleicher Temperatur;

Gewinnen von laufzeit-abgeleiteten Messungen für jeden akkustischen Analysator, welcher eine Spezies enthält; und

Verhältnismaß-Vergleichen einer oder mehreren Registrierungskonstanten zur Verwendung bei der Einrichtung von Einstellpunkten.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, weiterhin umfassend die Schritte:

Anfangskallibrieren des Ansprechverhaltens der Vorrichtung durch Berechnen von Kallibrierungsfaktoren; und

Arithmetisches Kombinieren der Ergebnisse; die dimensionslos und frei von jeglichen systematischen Effekten der Geräteanordnung sind, aus den individuellen Verhaltnismaß-Vergleichen mit den Kallibrierungsfaktoren, um Analyseergebnisse in üblichen wissenschaftlichen oder technischen Zusammensetzungseinheiten auszudrücken.