-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse eines Messfluides
mit einem ersten Sensor zur Messung wenigstens eines Messfluidbestandteiles,
einem ersten Messkanal, über den das Messfluid zuführbar
ist, einem Verdünnungskanal, über den ein Verdünnungsfluid
zuführbar ist, einem Verbindungspunkt, der eingangsseitig
mit dem ersten Messkanal und dem Verdünnungskanal verbunden
ist, einem zweiten Messkanal, der ausgangsseitig zum Wegführen
eines verdünnten Messfluides vom Verbindungspunkt abzweigt
und in dem ein zweiter Sensor zur Messung wenigstens eines anderen
Messfluidbestandteiles angeordnet ist.
-
Zur
Analyse der Bestandteile von Fluiden (Gase oder Flüssigkeiten)
sind verschiedenste Arten von Sensoren bekannt, die physikalische
oder chemische Eigenschaften von Fluidbestandteilen nachweisen.
Für Gase sind z. B. elektrochemische, optische oder andere
Gassensoren bekannt, die z. B. die Vermessung der Konzentrationen
von Sauerstoff CO, NO, NO2 oder dgl. erlauben.
-
Bei
dem Betrieb derartiger Sensoren zum Nachweis von Fluidbestandteilen
besteht ein grundlegendes Problem darin, dass ein optimaler Betrieb des
jeweiligen Sensors nur in einem bestimmten Konzentrationsbereich
des zu vermessenden Bestandteiles möglich ist. Bei einer
höheren Konzentration wird die Messung möglicherweise
ungenau oder der Sensor wird überlastet, beschädigt
oder gesättigt. Für derartige Sensoren wird deshalb üblicherweise
ein nomineller Messbereich angegeben, indem eine zuverlässige
Messung garantiert werden kann. Häufig reicht dieser nominelle
Messbereich jedoch nicht aus. Zur Beseitigung dieses Problemes ist
es bekannt, das Messfluid gezielt zu verdünnen, um bei zu
hoher Konzen tration des zu messenden Bestandteiles gleichwohl eine
Messung zu erlauben. Bei Abgasanalysegeräten wird eine
solche Messbereichserweiterung dadurch erreicht, dass für
einen Gassensor das Messgas durch ein Mischsystem mit Frischluft
so verdünnt wird, dass der Gassensor eine reduzierte Gaskonzentration
erhält. Die Geräteelektronik errechnet in diesem
Fall mittels des bekannten Verdünnungsfaktors die tatsächliche
Messgaskonzentration.
-
Eine
gattungsgemäße Vorrichtung, mit der eine solche
Verdünnung erreicht werden kann, ist aus
DE 10 2004 041 621 B4 bekannt.
Bei dieser Vorrichtung wird das Messgas, beispielsweise Abgas, entnommen
und in zwei parallele Kanäle aufgeteilt, nämlich
einen ersten Messkanal und einen Abzweigkanal. Im Abzweigkanal ist
ein erster Messsensor angeordnet, der die Bestimmung eines Fluidbestandteiles
ohne Verdünnung ermöglicht. Der erste Messkanal
dagegen ist über eine Mischeinrichtung mit einem Verdünnungskanal
verbunden. Das in der Mischeinrichtung verdünnte Messfluid
tritt aus dieser Mischeinrichtung in einen zweiten Messkanal verdünnt
ein, indem ein zweiter Messsensor angeordnet ist, der zur Bestimmung
eines Messfluidbestandteiles aus dem verdünnten Messfluid
geeignet ist. Um das gewünschte Verdünnungsverhältnis
im zweiten Messkanal zu erreichen, sind vorzugsweise sowohl im Verdünnungskanal
als auch im ersten Messkanal aufeinander abgestimmte Strömungswiderstandselemente angeordnet,
die für das gewünschte Verdünnungsverhältnis
im zweiten Messkanal sorgen.
-
Diese
bekannte Vorrichtung ist in einem weiten Messbereich zur Analyse
eines Fluids einsetzbar, wozu ein recht geringer apparativer Aufwand
erforderlich ist. Allerdings wird aufgrund der parallelen Anordnung
der Messsensoren und der dadurch bedingten Aufteilung des Messgasstromes
auf die beiden Sensoren in den Messkanal und den Abzweigkanal ein
relativ großer Gesamtgasstrom benötigt, der nicht in
allen Anwendungsfällen zur Verfügung steht.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, eine solche Vorrichtung so weiter
zu entwickeln, dass ohne Vergrößerung des apparativen
Aufwandes auch geringere Messgasströme in einem weiten Messbereich
analysiert werden können.
-
Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der erste Sensor im ersten Messkanal angeordnet ist, derart, dass
der erste Sensor und der zweite Sensor hintereinander geschaltet sind.
-
Anders
als bei der bekannten Vorrichtung gemäß
DE 10 2004 041 621
B4 wird somit das Messgas nicht aufgeteilt und parallel
auf zwei Messsensoren verteilt, sondern die beiden Messsensoren
sind hintereinander angeordnet, derart, dass durch den ersten Messsensor
der gesamte Messgasstrom hindurchtritt und durch den stromabwärts
angeordneten zweiten Messgassensor der ganze oder ein Teil dieses
Messgasstromes mit Verdünnung. Ohne Veränderung
des apparativen Aufwandes ist es dadurch möglich, auch
mit geringeren Gesamtmessgasströmen eine Analyse zuverlässig
durchführen zu können.
-
Um
auf möglichst einfache Weise die gewünschte Verdünnung
des Messgasstromes für den zweiten Messsensor im zweiten
Messkanal zu realisieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass im ersten Messkanal
stromabwärts des ersten Messsensors und/oder im Verdünnungskanal
wenigstens ein Strömungswiderstandselement angeordnet ist,
welches einen definierten Strömungswiderstand aufweist, derart,
dass die eingangsseitig in den Verbindungspunkt gelangenden Fluidströme
in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen. Grundsätzlich reicht
es dazu aus, dass nur in einen der beiden Kanäle ein Strömungswiderstandselement
vorgesehen ist, in der Regel werden jedoch in beiden Kanälen
(erster Messkanal und Verdünnungskanal) entsprechende Strömungswiderstandselemente
angeordnet. Diese Strömungswiderstandselemente sind bevorzugt
als Drosseln ausgebildet, es können aber auch andere Strömungswiderstandselemente
verwendet werden.
-
In
bevorzugter weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass im ersten
Messkanal zwischen dem ersten Messsensor und dem Verbindungspunkt ein
Abzweigpunkt mit einer Abzweigleitung angeordnet ist. Diese Ausführungsform
wird bevorzugt dann verwendet, wenn durch die Zuführung
des Verdünnungsfluides, das durch den Verdünnungskanal
dem Messfluid vor dem ersten im zweiten Messsensor zugeführt
wird, ein zu großer Gasstrom für den zweiten Messsensor
entstehen würde. Ein Teil des in die Vorrichtung eintretenden
Messfluides wird dann nach dem Durchtritt durch den ersten Messsensor
abgeführt und tritt nicht in den zweiten Messkanal ein.
-
Um
mit möglichst geringem Aufwand die abzuführende
Gasmenge einstellen zu können, ist dabei bevorzugt vorgesehen,
dass im ersten Messkanal zwischen dem Abzweigpunkt und dem Verbindungspunkt
und in der Abzweigleitung jeweils ein Strömungswiderstandselement
mit einem definierten Strömungswiderstand vorgesehen ist.
Das Strömungswiderstandselement im ersten Messkanal zwischen
dem Abzweigpunkt und dem Verbindungspunkt erfüllt dann
quasi eine Doppelfunktion. Es bestimmt in Verbindung mit dem Strömungswiderstandselement
im Verdünnungskanal das Verdünnungsverhältnis
und in Verbindung mit dem Strömungswiderstandselement in
der Abzweigleitung das Abzweigverhältnis.
-
In
bevorzugter weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Ende
der Abzweigleitung und das Ende des zweiten Messka nales in einen
gemeinsamen Gasausgang zusammengeführt sind. Alternativ
kann die Abzweigleitung auch einen eigenen Gasausgang aufweisen,
wenn dies möglich und sinnvoll ist.
-
In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in der
Abzweigleitung und/oder parallel zur Abzweigleitung weitere Messsensoren
vorgesehen sind.
-
Zusätzlich
oder alternativ kann vorgesehen sein, dass im ersten und/oder zweiten
Messkanal oder parallel geschaltet zum ersten und/oder zweiten Messkanal
mehrere Messsensoren vorgesehen sind. Durch das Vorsehen weiterer
Messsensoren kann die Variabilität der Vorrichtung entsprechend
vergrößert werden.
-
Ferner
ist bevorzugt vorgesehen, dass im ersten Messkanal stromaufwärts
des ersten Messsensors und im Verdünnungskanal jeweils
eine Pumpe angeordnet ist, die getrennt voneinander aktivierbar
sind. Durch die getrennte Aktivierbarkeit der Pumpen, insbesondere
der Pumpe im Verdünnungskanal, ist es möglich,
die Pumpe im Verdünnungskanal nicht immer zu aktivieren,
d. h. wenn dies im Einzelfall gewünscht oder erforderlich
ist, kann auf die Verdünnung beim Betrieb der Vorrichtung
verzichtet werden.
-
In
vorteilhafter weiterer Ausgestaltung ist ein Drucksensor vorgesehen,
der an den ersten Messkanal im Bereich des Ausgangs des ersten Messsensors
und an den Verdünnungskanal im Bereich des Pumpenausgangs
angeschlossen ist.
-
Dieser
Drucksensor ist bevorzugt mit einer elektronischen Regelung verbunden,
welche die Pumpen regelt. Beim Betrieb beider Pumpen kann die Leistung
der Pumpe im Verdünnungskanal bevorzugt so eingestellt
werden, dass der Drucksensor keinen Druckunterschied feststellt,
d. h. dass kein Druckun terschied zwischen den Anschlüssen
des Drucksensors im Verdünnungskanal und im ersten Messkanal
besteht. Ferner kann beim Betrieb ohne Verdünnung, d. h.
bei ausgeschalteter Pumpe im Verdünnungskanal die Leistung
der Pumpe im ersten Messkanal durch den Drucksensor überwacht und/oder
geregelt werden.
-
Die
elektronische Regelung ist bevorzugt Bestandteil eines Mikrocomputers
mit Auswerteeinheit. Bei Aktivierung und Deaktivierung der Verdünnung
kann durch ein Steuerprogramm im Mikrocomputer die Verdünnung,
d. h. die Regelung der Pumpe im Verdünnungskanal automatisch
durchgeführt werden. Ferner kann die Justierung des Verdünnungsfaktors über
ein integriertes Programm der Auswerteeinheit durchgeführt
werden.
-
Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher
erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine Prinzipdarstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
Von
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse
eines Messfluides sind in der einzigen Figur nur die wesentlichen
Bestandteile dargestellt.
-
Die
Vorrichtung dient z. B. zur Gasanalyse, insbesondere zur Abgasanalyse
und weist zunächst einen Gaseingang auf, der Bestandteil
eines ersten Messkanales 1 ist. Im ersten Messkanal 1 ist
eine Pumpe P1 vorgesehen, die das zu analysierende Messgas durch
den ersten Messkanal 1 pumpt. Stromabwarts der Pumpe P1
ist vorzugsweise ein Strömungswiderstandselement in Form
einer Drossel D1 angeordnet. Stromabwärts dieser Drossel
D1 führt der erste Messkanal 1 zu einem ersten
Messsensor GS1. Bei diesem ersten Messsensor GS1 kann es sich z.
B. um einen O2-Sensor handeln.
-
Aufgrund
der bisher beschriebenen Anordnung ist ersichtlich, dass das gesamte
Messgas, ausgehend vom Gaseingang von der Pumpe P1 durch den ersten
Messkanal 1 und den ersten Sensor GS1 geleitet wird.
-
Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel ist stromabwärts
des ersten Sensors GS1 im ersten Messkanal 1 ein Abzweigpunkt
K1 vorgesehen, von dem eine Abzweigleitung 2 vom ersten
Messkanal 1 abzweigt. In dieser Abzweigleitung 2 ist
ein Strömungswiderstandselement, z. B. in Form einer Drossel
D3, angeordnet.
-
Der
erste Messkanal 1 setzt sich stromabwärts des
Abzweigpunktes K1 fort. In diesem Bereich ist ein Strömungswiderstandselement,
insbesondere in Form einer Drossel D2, angeordnet. Stromabwärts dieser
Drossel D2 mündet der erste Messkanal 1 eingangsseitig
in einen Verbindungspunkt K2. Ebenfalls eingangsseitig mündet
in diesen Verbindungspunkt K2 ein Verdünnungskanal 3,
d. h. der Verdünnungskanal 3 und der erste Messkanal 1 werden
im Verbindungspunkt K2 zusammengeführt, die zugeführten Fluide
vermischen sich in diesem Verbindungspunkt K2, welcher als Mischeinrichtung
ausgebildet sein kann.
-
Über
den Verdünnungskanal 3 ist z. B. Frischluft am
Eingang 3a in den Verdünnungskanal 3 zuführbar,
welche durch eine im Eingangsbereich des Verdünnungskanales 3 angeordnete
Pumpe P2 förderbar ist. Stromabwärts der Pumpe
P2 ist im Verdünnungskanal 3 ein Strömungswiderstandselement,
vorzugsweise in Form einer Drossel D4, vorgesehen.
-
Die
Vorrichtung weist darüber hinaus einen zweiten Messkanal 4 auf,
der ausgangsseitig zum Wegführen eines verdünnten
Messfluides vom Verbindungspunkt K2 abzweigt. In diesem zweiten Messkanal 4 ist
ein zweiter Sensor GS2 angeordnet, z. B. ein CO-Sensor. Stromabwärts
dieses zweiten Sensors GS2 mündet der zweite Messkanal 4 in
einen Gasausgang 5. Dieser Gasausgang 5 kann nur den
Ausgang des zweiten Messkanales 4 bilden, er kann aber
auch als gemeinsamer Gasausgang 5 für den zweiten
Messkanal 4 und die Abzweigleitung 2 dienen, wenn,
wie dargestellt, die Enden des zweiten Messkanales 4 und
der Abzweigleitung 2 in einem gemeinsamen Ausgangspunkt 6 zusammengeführt sind.
-
Die
Vorrichtung weist darüber hinaus einen Drucksensor DS1
auf, der einerseits an den ersten Messkanal 1 im Bereich
des Ausgangs des ersten Messsensors GS1, nämlich beim dargestellten
Ausführungsbeispiel an den Abzweigpunkt K1 und andererseits
an den Verdünnungskanal im Bereich des Pumpenausganges,
nämlich an einem Anschlusspunkt K3 angeschlossen ist. Dieser
Drucksensor DS1 dient zur Erfassung der Druckdifferenz zwischen dem
ersten Messkanal 1 und dem Verdünnungskanal.
-
Wie
in der Zeichnung gestrichelt dargestellt ist, können weitere
Messsensoren GSx ggf. mit vorgeschalteter Drossel vorgesehen sein,
wenn weitere Messfluidbestandteile analysiert werden sollen. Diese
zusätzlichen Messsensoren können in der Abzweigleitung 2 und/oder
parallel zur Abzweigleitung 2 angeordnet sein und/oder
im ersten Messkanal 1 in Reihe zum ersten Sensor GS1 oder
parallel dazu und/oder im zweiten Messkanal 4 in Reihe
zum zweiten Sensor GS2 oder parallel dazu, wie gestrichelt angedeutet.
-
Durch
die Pumpe P1 wird das Messfluid, beispielsweise ein Abgas einer
Heizungsanlage durch die Drossel D1 und den ersten Sensor GS1 gepumpt und
im ersten Sensor GS1 analysiert, beispielsweise hinsichtlich der
O2-Konzentration. Anschließend
wird das Messgas über die Drossel D2 geführt,
und zwar mit einem verringerten Volumenstrom, da ein Teil des Messgasstromes
durch die Abzweigleitung 2 abgezweigt wird. Die Aufteilung
der beiden Fluidströme wird dabei im Wesentlichen durch
die Widerstandsverhältnisse der Drosseln D2 und D3 bestimmt.
-
Wenn
das Messfluid vor dem Eintritt in den zweiten Sensor GS2 verdünnt
werden soll, wird die Pumpe P2 aktiviert. Sie fördert über
die Drossel D4 ein Verdünnungsgas, z. B. Frischluft zum
Verbindungspunkt K2, wo sich das Verdünnungsfluid mit dem
Messfluid vermischt, so dass ausgangsseitig aus dem Verbindungspunkt
K2 ein verdünntes Messfluid in den zweiten Messkanal 4 und
damit in den zweiten Sensor GS2 eintritt und hinsichtlich eines
anderen Messgasbestandteiles, z. B. CO, analysiert wird.
-
Der
Druckunterschied zwischen dem Verdünnungskanal 3 im
Punkt K3 und dem ersten Messkanal 1 im Abzweigpunkt K1
wird mit dem Drucksensor DS1 gemessen. Der Drucksensor DS1 ist mit
einer nicht dargestellten elektronischen Regelung mit (Mikro-)Computer
und Auswerteeinheit verbunden. Fiber den elektronischen Regler wird
die Leistung der Pumpe P2 so eingestellt, dass zwischen den Punkten K1
und K3 kein Druckunterschied besteht. Unter dieser Voraussetzung
wird das Verdünnungsverhältnis zwischen Messfluid
und Verdünnungsfluid allein durch die Eigenschaften der
beiden Drosseln D2 und D4 bestimmt. Daher kann die Verdünnung
unabhängig von Umgebungsdrücken und der Leistung
der Pumpe P1 mit einem konstanten Verdünnungsfaktor arbeiten.
-
Natürlich
ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich,
ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können als Strömungswiderstandselemente
anstelle der dargestellten Drosseln auch andere bekannte Elemente
verwendet werden, ggf. kann bei entsprechender strömungstechnischer
Gestaltung der verschiedenen Kanäle auch auf einzelne Drosseln ganz
verzichtet werden, wenn die Kanäle selbst entsprechende
Strömungswiderstände aufweisen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004041621
B4 [0004, 0008]