CH685889A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch - Google Patents

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Description

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CH 685 889 A5
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Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch in der Abgasüberwachung von Heizungsanlagen gemäss den Patentansprüchen 1-8, bzw. 9-14, sowie Verwendungen gemäss den Patentansprüchen 15-17.
Bisher bekannte Systeme zur Abgasüberwachung in Heizungsanlagen erfassen und verarbeiten neben der Temperatur den Druck der Zuluft, und allenfalls noch den Sauerstoffgehalt des Abgases. Eine weitergehende Kontrolle erfordert, nicht nur den Gehalt des Abgases an Kohlendioxid zu bestimmen, sondern auch denjenigen des Kohlenmonoxids.
In der PS-EP 277 622 wird eine Detektionsvor-richtung für den optisch-spektroskopischen Nachweis von Gasen mittels des photoakustischen Effektes beschrieben. Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle, einem als Gas-sammelzelle ausgebildeten Detektor und Signalverarbeitungsmitteln. Das Licht der Quelle wird nach Passieren eines Schmalband-Interferenzfilters in eine das Messgas enthaltende photoakustische Gasküvette eingestrahlt und die Messung bei verschlossener oder annähernd verschlossener Küvet-te durchgeführt. Nachteilig dabei ist die Tatsache, dass diese Anordnung keine Mittel zur Vermeidung, bzw. Korrektur oder Kompensation, von Verschmutzungen aufweist, die sich auf dem Eintrittsfenster ablagern, und somit die Lebensdauer erheblich beeinträchtigen.
Nach der PS-JP 2-116 737 ist ein CO-Analyse-gerät bekannt, welches im wesentlichen einen Hauptdetektor und einen Kompensationsdetektor aufweist, wodurch Interferenzanteile wirkungsvoll beseitigt werden. Dieses Transmissionsverfahren zeichnet sich durch eine komplizierte Auslegung der Anordnung aus, welche u.a. zwei versiegelte Gaszellen erfordert, was sich auf eine preisgünstige Herstellung nachteilig auswirkt.
Im weiteren wird von T.F. Deaton et al. ein différentielles photoakustisches Verfahren beschrieben, welches sich besonders für die Bestimmung sehr kleiner Konzentrationen von Methan, Kohlendioxid und Stickstoffdioxid eignet (Appi. Physics Lett., Vol.26, 300-303 (1975)). Nachteilig ist der hohe experimentelle Aufwand, welcher vor allem durch die Verwendung eines Deuteriumfluorid (DF) Lasers gegeben ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mit welchen Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch (Kohlendioxid und Kohlenmonoxid) in einem Messsystem in Kombination bestimmt werden und welches kostengünstig hergestellt und in der Abgasüberwachung von Heizungsanlagen eingesetzt werden können. Zudem soll ein derartiges Verfahren gewährleisten, dass das darauf beruhende Messsystem über längere Zeit wartungsfrei arbeiten kann, eine hohe Lebensdauer aufweist. Die erzielbare Messgenauigkeit muss zur Steuerung eines Heizbrenners ausreichend sein, damit die gesetzlichen Anforderungen, z.B. jene einer Luftreinhalteverordnung (LRV), erfüllt werden.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels Verfahren gemäss dem Wortlaut der Patentansprüche 1-8 und mittels Vorrichtungen gemäss dem Wortlaut der Patentansprüche 9-14 gelöst.
Es zeigen:
Fig. 1 Schematische Darstellung des Messprinzips zur kombinierten Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch
Fig. 2 Flussdiagramm eines Messverfahrens zur kombinierten Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch
Fig. 3 Schematischer Aufbau eines Messsystems mit einem kombinierten Sensorsystem für in der gleichen Messzelle durchgeführte photoakustische und Schall-Messung
Die Erfindung wird im weiteren an Hand der Fig. 1-3 näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Messprinzips zur kombinierten Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch. Das Messsystem 100 besteht aus einem Sensorsystem 110, einer Steuer- und Auswerteeinheit 120 und den Datenleitungen 130, welche das Sensorsystem und die Steuer- und Auswerteeinheit verbindet. Das Sensorsystem 110 ist über eine thermisch abgeschirmte Leitung 102 mit einem Probenraum, beispielsweise mit einem Kamin 103, verbunden, in welchem die Abgase als heisses Gasgemisch, versetzt mit Partikeln, insbesondere mit Russ, vorliegen. Für die Probenahme einer Gasprobe 104 ist eine Pumpe 1 vorgesehen, die über eine Leitung 5, ein Filter 6, eine Leitung 7, einen akustischen Resonator 10, eine Leitung 9, ein Ventil 8, eine Leitung 11 und eine photoakustische Zelle 20 die Gasprobe in das Sensorsystem 110 führt. Über eine Leitung 2, ein Ventil 3, eine Leitung 2' und eine Leitung 4 wird die Gasprobe wieder aus dem Sensorsystem 110 geführt. Die Leitung 5, welche von einer thermischen Abschirmung 102 umgeben ist, verbindet den Innenraum des Kamins 103 dicht mit dem Filter 6. Am Ausgang des Filters 6 steht ein von Partikeln jeglicher Art, insbesondere von Russpartikeln, freies Gasgemisch, d.h. eine gereinigte Gasprobe 105 zur Verfügung, welche über die Leitung 7 in den Resonator 10 geführt wird. Im Resonator 10 befindet sich ein Geber 41 und ein Empfänger 42, welche in einer festen Distanz zueinander liegen, und damit die Voraussetzungen für eine Messung der Schallgeschwindigkeit in der gereinigten Gasprobe 105 erfüllen. Im Resonator 10 wird über die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches, bzw. der gereinigten Gasprobe 105, die Konzentration der ersten Gaskomponente, beispielsweise einer C02-Konzentration, ermittelt. Am Resonator 10 ist ein weiteres Ventil 8 mit den Leitungen 9 und 11 vorgesehen, welches die gereinigte Gasprobe 105 über die Leitung 11 in ein Kompartiment 21 der photoakustischen Zelle 20 führt. Das Kompartiment 21 ist mit einer Trennwand 23 versehen, welche ein optisches Fenster 24 aufweist. Über ein Ventil 12 und die Leitungen 13, 14 gelangt die gereinigte Gasprobe 105 in ein Kompartiment 22, welches seinerseits über eine Leitung 2 mit dem Ventil 3 ver-
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Das erfindungsgemässe Verfahren wird unter Bezug auf das Flussdiagramm (Fig. 2) näher erläutert, wobei in Fig. 2 die allgemeinen Schritte dargestellt sind. Dabei werden für die Beschreibung der verschiedenen Verfahrensschritte diejenigen Referenzzahlen des Flussdiagrammes verwendet, die für die Gliederung der einzelnen Schritte angeführt sind.
Fig. 2 zeigt das Flussdiagramm für ein Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Gaskonzentrationen in Gasgemischen welches durch die Schritte 1-5 nachstehend beschrieben wird:
1. Probenahme
Ausgangspunkt des Verfahrens ist eine Gasprobe, die untersucht, bzw. analysiert werden soll. Diese ist im allgemeinen ein Gemisch von mehreren Komponenten und liegt meistens in einer kontaminierten Form vor, wobei die Kontaminationsstoffe sowohl flüssig wie fest sein können. So ist beispielsweise die Abgasprobe einer Verbrennungsanlage mit Russanteilen versetzt. Die Probenahme hat an einer Stelle zu erfolgen, welche die Entnahme einer repräsentativen Probe ermöglicht. Sie wird beispielweise über ein gesteuertes Unterdrucksystem ermöglicht, indem eine Pumpe den notwendigen Unterdruck erzeugt, und über eine Schaltung von Ventilen, welche in den Zuleitungen angeordnet sind, dafür gesorgt wird, dass während den Ventilöffnungszeiten eine hinreichende Menge des Gasgemisches in den Analysenraum geführt wird.
2. Reinigung
Das Gasgemisch wird einem Filter, bzw. einem Russfilter, zugeführt, welcher dafür sorgt, dass die das Filter verlassende gereinigte Gasprobe aufgrund der gewählten Porengrösse keine störenden Mengen an Feststoffen mehr aufweist. Dieser Reinigung der Gasprobe kommt eine entscheidende Bedeutung zu, ist doch die Lebensdauer eines Messsystems im Wesentlichen von den Massnahmen abhängig, die getroffen wurden, um Kontaminationen irgendwelcher Art zu vermeiden. Die Pumpenleistung, die Querschnitte der Zuleitungen, die Ventilquerschnitte, die Filterfläche und die Porengrösse des Filters bestimmen mit ihren Abhängigkeiten untereinander die Ventilöffnungszeiten, welche notwendig sind, um das Vorliegen einer homogenen Probe sicherzustellen. Die Gasleitung, die zur Probenahme vorgesehen ist, und das Filter sind so ausgelegt, dass die Gasprobe in den nachfolgenden Einheiten bis zum Verlassen des Messsystems den Taupunkt nicht unterschreiten können. Dies wird durch ein entsprechendes Thermostatieren des Messsystems sichergestellt.
3.1. Bestimmung der ersten Gaskomponente
Nachdem die gereinigte Gasprobe einem akustischen Resonator zugeführt wurde, wird sie dort nach einer Verweilzeit von einigen Sekunden gemessen. Dies erfolgt in an sich bekannter Weise über die Messung der Schallgeschwindigkeit der gereinigten Gasprobe. Im akustischen Resonator befinden sich ein Geber und ein Empfänger in einer festen Distanz. Die Geberfrequenz wird nun derart ermittelt, dass das elektrische Empfängersignal gleichphasig zum elektrischen Gebersignal ist. Diese Frequenz ist ein Mass für die Schallgeschwindigkeit, aus welcher dann die Konzentration der ersten Gaskomponente, beispielsweise der CC>2-Kon-zentration, ermittelt wird. Auf diese Messtechnik wird hier nicht näher eingegangen (B.A. Younglove, N.V. Frederik, Int. Journal of Thermophysics, Vol. 11/5, 897-905 (1990)). Wesentlich ist, dass eine in der gereinigten Gasprobe möglicherweise vorliegende CO-Konzentration die Messgenauigkeit praktisch nicht beeinflussen kann, weil einerseits die CO-Konzentrationen im Bereich von 0-1000 ppm, d.h. 0-0,1% liegen, und andererseits weil das Kohlen-monoxid und der in grossem Überschuss vorliegende Stickstoff praktisch identische Molekulargewichte aufweisen. Somit wird die Konzentration der ersten Gaskomponente, beispielsweise die C02-Konzen-tration, ungestört neben dem Kohlenmonoxid ermittelt. Am Ende dieses Verfahrensschrittes liegt eine der Konzentration der ersten Gaskomponente, beispielsweise der C02-Konzentration, proportionale Frequenz zugrunde, welche im Verfahrensschritt 4 weiterverarbeitet wird.
3.2. Bestimmung der zweiten Gaskomponente
Nachdem die gereinigte Gasprobe einer photoakustischen Zelle zugeführt wurde, wird sie dort nach einer Verweilzeit von einigen Sekunden gemessen. Dies erfolgt in an sich bekannterweise über die Nutzung des photoakustischen Effektes. Eine IR-Lichtquelle wird moduliert und die Modulation der in der gereinigten Gasprobe absorbierten Energie über ein Mikrofon gemessen. Ein Interfe5
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renzfilter, welches zwischen der Lichtquelle und der Gaszelle angeordnet ist, wird so ausgewählt, dass die Transmissionswellenlänge des Interferenzfilters gerade mit derjenigen Absorptionsbande der zweiten Gaskomponente, beispielsweise der CO-Ab-sorptionsbande, übereinstimmt. Dadurch werden störende Einflüsse weitgehend unterdrückt. Auf weitergehende Einzelheiten dieser Messtechnik wird hier nicht näher eingegangen. Am Ende dieses Verfahrensschrittes liegt ein Messsignal vor, welches einen linearen Zusammenhang zur Konzentration der zweiten Gaskomponente, beispielsweise der CO-Konzentration, aufweist und welches Verfahrensschritt 4 weiterverarbeitet wird.
4. Signalverarbeitung
Die der Konzentration der ersten Gaskomponente, beispielsweise der C02-Konzentration, proportionale Frequenz und das zur Konzentration der zweiten Gaskomponente, beispielsweise der CO-Konzentration, einen lineare Zusammenhang aufweisende Messsignal werden je einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt und elektronisch derart aufbereitet, dass am Ausgang dieser Signalverarbeitungseinheiten Signale vorliegen, welche der Rechnereinheit zugeführt werden können.
5. Auswerten
Das Messsignal der photoakustischen Zelle wird einmal bei geschlossenem und einmal bei offenem Ventil aufgenommen. Die beiden Amplitudenwerte des Messsignals ändern sich in unterschiedlicher Weise mit den Konzentrationen der Gaskomponenten, beispielsweise mit den Konzentrationen des CO, bzw. des CO2. Durch diese Charakteristik und durch den mittels Schallgeschwindigkeit bestimmten Wert der ersten Gaskomponente, beispielsweise der C02-Konzentration, lässt sich der überlagerte Anteil und damit die Konzentratione der zweiten Gaskomponente, beispielsweise der CO-Konzentra-tion, extrahieren.
In der Rechnereinheit werden die Messsignale so verarbeitet, dass am Ausgang digitale Signale vorliegen, welche beispielsweise einer Anzeige zugeführt werden können, oder die für irgend eine andere Verwendung zur Verfügung gehalten werden. Dabei kommen Operationen wie Linearisierungen, Offset-Korrekturen, Glättungen und Mittelwertbildungen irgendwelcher Art in Frage.
Die in den Verfahrensschritten 3.1 und 3.2 dargelegten Möglichkeiten zur Bestimmung der Konzentrationen der ersten und zweiten Gaskomponenten, beispielsweise der CO2- und CO-Konzentratio-nen, stellen nur eine Art der Problemlösung dar. Im weiteren lässt sich dieses Verfahren beispielsweise so vereinfachen, dass die beiden Gaskonzentrationen einer einzigen Messzelle zugeführt werden, die einerseits die Eigenschaften des akustischen Resonators besitzt, und andererseits aber jene einer photoakustischen Zelle. Damit vereinfachen sich natürlich die notwendigen Zu- und Ableitungen für die gereinigte Gasprobe und die Anforderungen an die Steuerung, was sich beides vorteilhaft auf die Herstellungskosten auswirkt. Ebenfalls vorteilhaft ist das Wegfallen des einen Messsystems, wofür allerdings das verbleibende etwas komplexer wird.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Messsystems mit einem kombinierten Sensorsystem für in der gleichen Messzelle durchgeführte photoakustische und Schall-Messung. Das Messsystem 100 besteht aus einem Sensorsystem 110, einer Steuer- und Auswerteeinheit 120 und den Datenleitungen 130, welche das Sensorsystem und die Steuer- und Auswerteeinheit verbindet. Das Sensorsystem 110 ist über eine thermisch Abschirmung 102 mit einem Probenraum, beispielsweise mit einem Kamin 103, verbunden, in welchem die Abgase als heisses Gasgemisch, versetzt mit Partikeln, insbesondere mit Russ, vorliegen. Für die Probenahme einer Gasprobe 104 ist eine Pumpe 1 vorgesehen, die über eine Leitung 5, ein Filter 6, eine Leitung 7 und eine Messzelle 30 die Gasprobe in das Sensorsystem 110 führt. Über eine Leitung 2, ein Ventil 3, eine Leitung 2' und eine Leitung 4 wird die Gasprobe wieder aus dem Sensorsystem 110 geführt. Die Leitung 5, welche von einer thermischen Abschirmung 102 umgeben ist, verbindet den Innenraum des Kamins 103 dicht mit dem Filter 6. Am Ausgang des Filters 6 steht ein von Partikeln jeglicher Art, insbesondere von Russpartikeln, freies Gasgemisch, d.h. eine gereinigte Gasprobe 105 zur Verfügung, welche über die Leitung 7 und eine Öffnung 153 in ein Kompartiment 121 der Messzelle 30 geführt wird. Das Kompartiment 121 ist mit einer Trennwand 123 versehen, welche ein optisches Fenster 124 aufweist. Das Kompartiment 121 weist eine weitere Trennwand 125 mit einem Interferenzfilter 126, bzw. einem IR-Bandpassfilter, auf, welche der Trennwand 123 gegenüberliegt. Im weiteren ist das Kompartiment 121 mit einem Geber 152 und einem Empfänger 151 ausgerüstet, welche in einer festen Distanz zueinander liegen, und damit die Voraussetzungen für eine Messung der Schallgeschwindigkeit in der gereinigten Gasprobe 105 erfüllen. Die Leitung 7 endet mit der Öffnung 153, welche im Empfänger 152 eingelassen ist; sie ist so klein gewählt, dass sie die Schallmessung nicht störend beeinflussen kann. Selbstverständlich kann sie auch an einer anderen Stelle des Kompartimentes 121 angebracht werden. Im Kompartiment 121 der Messzelle 30 wird über die Schallgeschwindigkeit der gereinigten Gasprobe 105, beispielsweise die C02-Konzentration, ermittelt. Am Kompartiment 121 der Messzelle 30 sind ein Ventil 112 und die Leitungen 113, 114 vorgesehen, über welche die gereinigte Gasprobe 105 in ein Kompartiment 122 gelangt, welches seinerseits über eine Leitung 2 mit dem Ventil 3 verbunden ist und an das Kompartiment 121 angrenzt. Angrenzend an die Trennwand 125 befindet sich, auf der dem Kompartiment 121 gegenüberliegenden Seite, ein Kompartiment 127, in welchem sich eine IR-Quelle 128 befindet. Das Kompartiment 122 weist im weiteren einen Detektor 129 und ein Mikrophon 131 auf, welches seitlich an der Messzelle 30 angebracht ist. Die IR-Quelle 128, das Mikrofon 131 und der Detektor 129 sind über die Leitungen 51, 51' und 51" mit einer Signalverarbeitungseinheit 50
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Anwendungen für ein derartiges Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen sind die Bestimmung von Konzentrationen in Gasgemischen, wie beispielsweise von Kohlendioxid und Kohlenmono-xid, in Abgasen jeglicher Art, insbesondere aber jene von Heizungsanlagen und dergleichen. Mit den ermittelten Messgrössen lassen sich Steuerung und Regelung von Verbrennungsprozessen wesentlich verbessern und optimieren.
Selbstverständlich ist dieses Verfahren nicht auf die Bestimmung von Kohlendioxid und Kohlenmo-noxid beschränkt. Vielmehr gibt es eine Anzahl weiterer Gaskombinationen, welche mit dem beschriebenen Verfahren, bzw. den entsprechenden Vorrichtungen, bestimmt werden können. So lassen sich beispielsweise neben CO2 auch NO, sowie weitere Stickoxide bestimmen; oder aber Methan (CH4), Äthan (C2H6), Athen (C2H4), Äthin (C2H2), Wasser und Ammoniak (NH3).
Erfindungswesentlich ist, dass das beschriebene Verfahren die Kombination von zwei Messverfahren in einem Sensorsystem vorsieht. Dabei werden aus einem Gasgemisch im Sensorsystem (110) die Konzentration der ersten Gaskomponente, beispielsweise die C02-Konzentration, in einem akustischen Resonator (10) und die Konzentration der zweiten Gaskomponente, beispielsweise die CO-Konzentration, in einer photoakustischen Zelle (20) bestimmt, wobei eine Integration des akustischen Resonators (10) und der photoakustischen Zelle (20) in einer einzigen Messzelle (30) ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel darstellt.

Claims (17)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung von Konzentrationen in Gasgemischen einer Gasprobe (104) mittels eines Messsystems (100), umfassend ein Sensorsystem (110), eine Steuer- und Auswerteeinheit (120) und Datenleitungen (130), gekennzeichnet dadurch, dass die Gasprobe (104) nach der Probenahme im Messsystem (100) durch ein Filter (6) geführt wird, dass in der gereinigten Gasprobe (105) die Konzentration einer ersten Gaskomponente mittels einer Schallmessung und die Konzentration einer zweiten Gaskomponente mittels des photoakustischen Effektes ermittelt wird, und dass die Messsignale (61, 61 ') der Schallmessung und die Messsignale (51, 51', 51") der photoakustischen Messung in einer Rechnereinheit (80) verarbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die gereinigte Gasprobe (105) einem akustischen Resonator (10) zugeführt wird, in welchem die Schallgeschwindigkeit der gereinigten Gasprobe bestimmt wird, woraus die Konzentration der ersten Gaskomponente ermittelt wird, dass der akustische Resonator (10) mit einer photoakustischen Zelle (20) zum Transfer der gereinigten Gasprobe über erste Leitungen (9, 11) verbunden wird, worüber die gereinigte Gasprobe der photoakustischen Zelle (20) zugeführt wird, und dass in der photoakustischen Zelle (20) die Konzentration der zweiten Gaskomponente der gereinigten Gasprobe über den photoakustischen Effekt ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die gereinigte Gasprobe (105) im Messsystem (100) einer Messzelle (30) zugeführt wird, in welcher die Schallgeschwindigkeit der gereinigte Gasprobe bestimmt wird, woraus die Konzentration der ersten Gaskomponente ermittelt wird, und in welcher die Konzentration einer zweiten Gaskomponente der gereinigten Gasprobe über den photoakustischen Effekt ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Gaskomponente Kohlendioxid und die zweite Gaskomponente Kohlenmonoxid ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Gaskomponente Kohlendioxid und die zweite Gaskomponente Stickstoffmonoxid oder ein höheres Stickstoffoxid (NOx) ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Gaskomponente Wasser und die zweite Gaskomponente Stickstoffmonoxid oder ein höheres Stickstoffoxid (NOx) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Gaskomponente Wasser und die zweite Gaskomponente Methan (CH4), Äthan (C2H6), Äthen (C2H4) oder Äthin (C2H2) ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Gaskomponente Wasser und die zweite Gaskomponente Ammoniak (NH3) ist.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüchen 4-8, gekennzeichnet dadurch, dass zur Bestimmung der Konzentration der ersten Gaskomponente ein akustischer Resonator (10) vorgesehen ist, dass zur Bestimmung der Konzentration der zweiten Gaskomponente eine photoakustische Zelle (20) vorgesehen ist, und dass die photoakustische Zelle (20) zwei hinterein-anderliegende Kompartimente (21, 22) aufweist, die akustisch über zweite Leitungen (13, 14) und ein Ventil (12) wahlweise verbunden werden können.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem akustischen Resonator (10) und der photoakustischen Zelle (20) eine Verbindung über die ersten Leitungen (9, 11) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge-
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kennzeichnet, dass der akustische Resonator (10) einen Geber (41) und einen Empfänger (42) aufweist, wobei der Empfänger in einer festen Distanz zum Geber angeordnet ist, und dass Mittel zum Betrieb des akustischen Resonators (10) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung des akustischen Resonators (10) und der photoakustischen Zelle (20), insbesondere für die Probenahme, eine Rechnereinheit (80) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Resonator (10) und die photoakustische Zelle (20) in einer einzigen Messzelle (30) integriert sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung der Messzelle (30), insbesondere für die Probenahme, eine Rechnereinheit (80) vorgesehen ist.
15 Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 oder 14 zur Bestimmung von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in der Abgasüberwachung von Heizungsanlagen.
16. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 oder 14 zur Bestimmung von Kohlendioxid und Stickstoffmonoxid in der Verbrennungstechnologie.
17. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 oder 14 zur Bestimmung von Kohlendioxid und höheren Stickstoffoxiden (NOx) in der Verbrennungstechnologie.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011055286A1 (en) * 2009-11-03 2011-05-12 Koninklijke Philips Electronics N.V. Apparatus for measuring a level of a specific gas in exhaled breath
EP3561487A1 (de) * 2018-04-25 2019-10-30 ABB Schweiz AG Messvorrichtung zur analyse einer zusammensetzung eines brenngases mit einer vor einem detektor angeordneten filterkammer

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT6119U3 (de) * 2003-01-29 2003-12-29 Avl List Gmbh Verfahren zur photoakustischen messung von fremdstoffen in gasen

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2945172C2 (de) * 1979-11-08 1983-09-01 Gerhard 8200 Rosenheim Krause Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, insbesondere des Kohlendioxidgehaltes in einem Gasgemisch
JPS5764145A (en) * 1980-10-07 1982-04-19 Toyo Soda Mfg Co Ltd Flow type optoacoustic detector
CH679076A5 (de) * 1989-06-13 1991-12-13 Oscar Dr Sc Nat Oehler
US5129255A (en) * 1989-10-06 1992-07-14 The Aerospace Corporation Photoacoustic detection and tracking apparatus
DK163537C (da) * 1990-03-05 1992-08-03 Fls Airloq As Fremgangsmaade og apparat til overfoersel af et akustisk signal i en fotoakustisk celle

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011055286A1 (en) * 2009-11-03 2011-05-12 Koninklijke Philips Electronics N.V. Apparatus for measuring a level of a specific gas in exhaled breath
US9671389B2 (en) 2009-11-03 2017-06-06 Koninklijke Philips N.V. Apparatus for measuring a level of a specific gas in exhaled breath
EP3561487A1 (de) * 2018-04-25 2019-10-30 ABB Schweiz AG Messvorrichtung zur analyse einer zusammensetzung eines brenngases mit einer vor einem detektor angeordneten filterkammer
WO2019206783A1 (de) * 2018-04-25 2019-10-31 Abb Schweiz Ag Messvorrichtung zur analyse einer zusammensetzung eines brenngases mit einer vor einem detektor angeordneten filterkammer
US11796456B2 (en) 2018-04-25 2023-10-24 Abb Schweiz Ag Measuring device for analyzing the composition of a fuel gas, having a filter chamber arranged upstream of a detector

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