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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Quer-
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empfindlichkeits-Koeffizienten von mehreren (n), insbesondere drei
bei jeweils einer Wellenlänge gemessenen Gesamtextinktionen (Ai) bei der durch additive
Kombination der insbesondere linearen Gesamtextinktionen (Ai) erfolgenden Konzentrationsbestimmung
einer entsprechenden Anzahl n von Komponenten (Gase und gegebenenfalls Staub) in
einem gasförmigen Medium oder in transparenten Flüssigkeiten oder Festkörpern, insbesondere
zweier Gase, vorzugsweise S02 und N02 und Staub in einem Gemisch dieser Komponenten
bzw. dieser beiden Gase und der Staubkomponente. Außerdem will die Erfindung ein
Gerät zur Ausführung dieses Verfahrens mit einem Rechner, dem die von einem optischen
Meßgerät an dem Meßobjekt oder einem Testobjekt bei n Wellenlängen ermittelten n
Gesamtextinktionen als n elektrische Eingangssignale und die Querempfindlichkeits-Koeffizienten
der additiven Kombinationen aus einem Festwertspeicher zugeführt sind und der daraus
n den Konzentrationen der Einzelkomponer.-ten proportionale Ausgangswerte liefert,
schaffen.
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Verfahren und Geräte zur Bestimmung der Konzentrationen der Komponenten
eines aus zwei Gasen und Rauch bestehenden Gemisches sind bekannt (DE-PS 21 30 331,
DE-PS 25 21 934).
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Ein Problem bei den bekannten Verfahren und Geräten zur Konzentrationsbestimmung
besteht darin, die sogenannten Querempfindlichkeits-Koeffizienten genau zu bestimmen.
Eine triviale Lösung, die Wellenlängenabhängigkeit der Extinktionen der einzelnen
Komponenten zu bestimmen und zu berücksichtigen, würde darin bestehen,die sogenannte
Querempfindlichkeit zu messen und danach die neuen Konstanten der Linearkombination
zu berechnen. Unter Querempfindlichkeit versteht man bekanntlich die Beeinflussung
einer Extinktionsmessung durch mehrere Gase. So könnte man beispielsweise bei Vorhandensein
von zwei Gaskomponenten, insbesondere S02 und N02 sowie Staub in einem Rauchgas
die Extinktionen bei den drei Meßwellenlängen in einem Testkamin bestimmen, in dem
jeweils nur eine Gaskomponente oder nur Rauch bzw. Staub vorliegt. Diese Meßmethode
würde
jedoch nicht zum Erfolg führen, weil die Staubdichte bzw. Gaskonzentration schwankt
und deswegen die Werte nicht mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden können.
Insbesondere wäre für d ie die Koeffizientenbestimmung eine Simultanmessung bei
allen drei Meßwellenlängen erforderlich.
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Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren und ein
Gerät der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei denen auf äußerst einfache
Weise die Querempfindlichkeits-Koeffizienten der gemessenen Gesamtextinktionen bei
den verschiedenen Wellenlängen bestimmt werden können. Es soll insbesondere möglich
sein, diese Koeffizienten durch systematische Variation von möglichst wenig Veränderlichen
schnell und sicher genau zu ermitteln.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß bei vorbestimmten
Konzentrationen von (n-1) Komponenten die spezifischen Extinktionskoeffizienten
der verbleibenden Komponente solange variiert werden, bis die Konzentrationsbestimmung
der (n-1) Komponenten aufgrund der additiven Kombination die vorbestimmten Konzentrationen
ergibt. Hierzu wird bei dem erfindungsgemäßen Gerät zur Ausführung des Verfahrens
vorgesehen, daß an den Rechner ein Prozessor anschließbar ist, dessen Eingang die
veränderbaren spezifischen Extinktionskoeffizienten als elektrische Signale zugeführt
sind und welcher daraus die entsprechenden Koeffizienten errechnet und an den Rechner
abgibt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß aufgrund dieser Verfahrensweise
beim Vorliegen von n Komponenten (beispielsweise zwei Gaskomponenten, eine Staubkomponente)
lediglich n-1 spezifische Extinktionskoeffizienten der verbleibenden Komponente
systematisch variiert werden müssen. Dies bedeutet, daß z.B. beim VorlIegen von
zwei Gaskomponenten und Staub bzw.
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Rauch zur Bestimmung der Querempfindlichkeits-Koeffizienten lediglich
die beiden spezifischen Rauchextinktionskoeffizienten E13, E23 solange variiert
werden müssen, bis die additive Kombination der bei jeder Wellenlänge gemessenen
Gesamtextinktionen
die vorgegebenen, durch andere Methoden bestimmten
Konzentrationen der beiden Gaskomponenten ergibt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die verbleibende Komponente von
den übrigen Komponenten getrennt untersucht wird und die Variation der spezifischen
Extinktionskoeffizienten (E13, E23) solange erfolgt, bis die Konzentrationsbestimmung
der n-1 Komponenten aufgrund der additiven Kombination die vorbestimmten Konzentrationen
ergibt. Mit anderen Worten muß lediglich die eine der Komponenten isoliert vorliegen,
was z.B. bei einem Gasgemisch dadurch verwirklicht werden kann, daß eines der Gase
in reiner Form in einer Testkammer untersucht wird. Die anderen Gaskomponenten haben
dann die Konzentration Null.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit vernünftigen Fehlergrenzen
bei Medien mit bis zu maximal fünf Komponenten angewandt werden.
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Sofern bei dem Verfahren die Komponenten zwei Gase, insbesondere S02,
N02 und Staub sind, sieht die Erfindung vorzugsweise vor, daß in einer Kammer, in
der die beiden Gase in vorbestimmter Konzentration, vorzugsweise der Konzentration
Null vorliegen, während jeder der drei Konzentrationsbestimmungen zumindest einer,
Vorzugsweise zwei der spezifischen Staubextinktionskoeffizienten solange variiert
werden, bis die Konzentrationsbestimmung die vorgegebenen Gaskonzentrationen, insbesondere
Null, ergibt. Die Erfindung geht hierbei weiter davon aus, daß die Abhängigkeit
der Extinktion des Rauches von der Wellenlänge nicht vernachlässigbar ist. Die Berücksichtigung
der Wellenlängenabhängigkeit der spezifischen Rauch- bzw. Staubextinktion erhöht
die Meßgenauigkeit wesentlich. Aufgrund der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird insbesondere vermieden, daß Staubdichteshwankungen zu einer Herabsetzung der
Meßgenauigkeit der Querempfindlichkeits-Koeffizienten führen.
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Erfindungsgemäß wird weiter davon ausgegangen, daß der in einem bestimmten
tatsächlichen Kamin vorhandene Staub auch über längere Zeit eine gleichbleibende
Wellenlängenabhängigkeit hat.
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Für die laufende Konzentrationsbestimmung in einem derartigen Kamin
sieht die Erfindung daher bevorzugt vor, daß eine Staubprobe aus dem Kamin entnommen
und in einer Testkammer, in der die beiden Gaskomponenten in vorbestimmten Konzentrationen
vorliegen oder vorzugsweise fehlen, umhergewirbelt wird, die Staubextinktionskoeffizienten
variiert werden und die dabei ermittelten Koeffizienten bei der Konzentrationsbestimmung
im tatsächlichen Kamin verwendet werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gerätes besteht
darin, daß zwischen dem Prozessor und dem Festwertspeicher eine Verbindung vorliegt,
über welche die als zutreffend bestimmten Koeffizienten in den Festwertspeicher
einschreibbar sind. Der Prozessor kann über lösbare Steckverbindungen mit dem Rechner
und dem Festwertspeicher verbunden sein, so daß ein bestimmtes, für den praktischen
Gebrauch bestimmtes Gerät zunächst durch Ausmessung der Wellenlängenabhängigkeit
der Rauchextinktion in einer Testkammer auf bestimmte Querempfindlichkeits-Koeffizienten
geeicht werden kann.
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Diese vor der Auslieferung des Gerätes gemessenen Querempfindlichkeits-Koeffizienten
werden dann für alle Zeit in dem Festwertspeicher festgehalten. Durch erneuten Anschluß
des Prozessors kann jedoch jederzeit eine Korrektur erfolgen.
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Es ist aber auch möglich, daß nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Prozessor ein fester Bestandteil des Qptischen Meßgerätes ist, so daß jederzeit
eine Nachstimmung der Querempfindlichkeits-Koeffizienten möglich ist.
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Eine für die Praxis besonders geeignete Ausführungsform sieht vor,
daß die veränderbaren spezifischen Extinktionskoeffizienten von Hand, vorzugsweise
mit einem Potentiometer einstellbar sind. Die Bedienungsperson braucht hierbei die
Potentiometer
lediglich solange zu verdrehen, bis die Konzentrationsanzeigegeräte
der n-1 Komponenten die vorher bekannten Konzentrationen, insbesondere die Konzentration
Null anzeigen.
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Schließlich ist es auch möglich, daß die veränderbaren Extinktionskoeffizienten
automatisch durch einen geschlossenen Regelkreis einstellbar sind. In diesem Fall
werden beispielsweise die Potentiometer durch Servomotoren solange automatisch verstellt,
bis die Konzentrationsanzeigegeräte die vorbekannten, nach anderen Methoden bestimmten
Konzentrationswerte der n-1 Komponenten anzeigen. Vorzugsweise soll der Regelkreis
digital arbeiten.
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Bei der Bestimmung von zwei Gasen und Staub bzw. Rauch sieht die Erfindung
vor, daß am Prozessor zwei Potentiometer für die Variierung der spezifischen Staubextinktionskoeffizienten
vorgesehen sind und der Prozessor als Ausgangsgrößen die sechs Querempfindlichkeits-Koeffizienten
liefert.
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Hierbei ist es zweckmäßig, wenn zwischen den Potentiometern und der
Rechenschaltung Analog-Digital-Wandler eingeschaltet sind.
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Wie bereits erwähnt wurde, besteht die bevorzugte Anwendung der Erfindung
bei der Konzentrationsbestimmung von zwei oder mehr Gaskomponenten und einer Staubkomponente
in einem Kamin.
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Das bevorzugte Verfahren gemäß der Erfindung sieht nun vor, daß eine
Staubprobe aus dem Meßkamin entnommen und in einem Testkamin umhergewirbelt wird,
in dem die beiden Gase in vorbestimmter Konzentration, vorzugsweise der Konzentration
Null vorliegen, daß während jeder der drei Konzentrationsbestimmungen zumindest
eine der Rauchextinktionskoeffizienten solange variiert wird, bis die Konzentrationsbestimmung
die vorgegebenen Gaskonzentrationen ergibt und daß die dabei ermittelten Querempfindlichkeits-Koeffizienten
bei der Konzentrationsbestimmung im Meßkamin verwendet werden. Das Wesen der Erfindung
besteht
also darin, daß nicht die Querempfindlichkeits-Koeffizienten der Linearkombination,
sondern die spezifischen Rauchextinktionskoeffizienten während der Messung am Testkamin
variiert werden. Das erfordert zwar einen etwas größeren schaltungstechnischen Aufwand,
der jedoch dadurch gerechtfertigt ist, daß nur über diesen Umweg ein eindeutiger
Abgleich der Querempfindlichkeits-Koeffizienten möglich ist. Ebenso wichtig ist,
daß bevorzugt ein Nullabgleich durchzuführen ist. Unter DJullabgleich wird hier
ein Abgleich verstanden, bei denen die Anzeige der (n-1)-Komponenten bei richtigem
Abgleich, am Ende des Abgleichvorganges, durch Schwankungen &oder absichtliche
Änderungen) der Konzentration der n-ten Komponente nicht mehr beeinflußt wird und
zwar unabhängig davon, ob die Konzentrationen der (n-1) Komponenten null oder endlich
sind.
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Erfindungsgemäß stören also die Staubdichte-Schwankungen auf der Teststrecke
nicht mehr. Das Ausgangssignal kann beliebig lange elektronisch gemittelt werden,
womit die durch statistische Schwankungen verursachten Fehler praktisch völlig beseitigt
werden.
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Da der Rauch (Feststoffkomponente bei Verbrennungsvorgängen) in einem
bestimmten tatsächlichen Meßkamin über längere Zeiten die gleiche Zusammensetzung
und die gleiche Wellenabhängigkeit zeigt, genügt es, wenn vor der Installation eines
Konzentrationsmeßgerätes am Kamin von diesem eine Rauchprobe (Staubprobe) entnommen
wird und die Wellenlängenabhängigkeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der
Schaltungsanordnung untersucht wird. Die dann unmittelbar ermittelten Koeffizienten
kn können in den Festwertspeicher eingeschrieben werden und stehen dann während
der laufenden tatsächlichen Messung zur Verfügung.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben, deren einzige Figur eine schematische blockartige Darstellung einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit dem dazugehörigen optischen Meßgerät zeigt.
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Nach der Zeichnung ist an einem Kamin 13 ein optisches Meßgerät 12
angeordnet, welches durch zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen des Kamins
13 ein paralleles Lichtbündel 18 schickt, das durch einen auf der anderen Seite
des Kamins angeordneten Retroreflektor 14 in sich zum Meßgerät 12 zurückreflektiert
wird, wo ein geeignet befilterter Photoempfänger das Empfangssignal bei drei unterschiedlichen
Wellenlängen feststellt. Sofern S02, N02 und Rauch gemessen werden sollen, liegen
diese Wellenlängen bei 313, 436 bzw. 546 nm. Im einzelnen ist der Aufbau des optischen
Meßgerätes mit den anschliessenden elektronischen Auswertestufen in der DE-PS 25
21 934 beschrieben.
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Das optische Meßgerät 12 liefert an einen Rechner 11 die bei den drei
Meßwellenlängen festgestellten Gesamtextinktionssignale A1, A2 und A3. Dieser berechnet
aus den drei Gesamtextinktionswerten und sechs durch einen Festwertspeicher 15 zugeführten
Konstanten k1, k2, k3, k4, k5 und 6 drei für die Konzentrationen von S02, N02 bzw.
Rauch charakteristische Ausgangssignale E (S02), E (N02) und E (R). Diese können
beispielsweise auf numerischen Anzeigeinstrumenten 19, 20 bzw. 21 zur Anzeige gebracht
werden.
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Aus Vereinfachungsgründen erfolgt die Berechnung der drei für die
Konzentrationen charakteristischen Ausgangswerte unter folgenden Voraussetzungen:
1. Die Abhängigkeit der Extinktionen E (N02) und E (R) von der N02- bzw. Rauchkonzentration
ist linear.
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2. Auf den Wellenlängen 313, 43und 546 nm absorbieren nur die Abgaskomponenten
S02, N02 und Rauch.
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Aus Vereinfachungsgründen zeigen die Ausgangsinstrumente 19, 20 und
21 nicht unmiLtelbar die Konzentrationen C1 (SO2) , C2 (N02) bzw. C3 (Rauch) an
sondern Funktionen, die wie folgt definiert sind: E (S02) = E11 . 1 . C1 (1) Dies
ist die Extinktion, die durch S02 nur auf der Linie 313 nm verursacht wird.
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E (N02) = E22 . 1 . C2 (2) Dies ist die Extinktion, die durch N02
auf der Linie 436 nm verursacht wird.
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E (R) = E33 . 1 . C3 (3) Dies ist die durch den Rauch auf der Linie
546 nm verursachte Extinktion.
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Praktisch sind jedoch diese Extinktionen wegen des linearen Zusammenhanges
mit C1, C2 und C3 und der konstanten Faktoren ein Maß für die drei Konzentrationen.
Die drei Anzeigegeräte 19, 20, 21 sind zweckmäßig direkt in Konzentrationen geeicht.
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C. bedeutet die Konzentration des Gases bzw. Rauches. 1 ist die vom
Lichtstrahl insgesamt durchlaufene Meßstreckenlänge.
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E.. ist der spezifische Extinktionskoeffizient des Gases bzw.
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1J Rauches j bei der Wellenlänge i.
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Es läßt sich zeigen, daß die drei von den Meßinstrumenten 19, 20,
21 angezeigten Ausgangswerte mit den Gesamtextinktionen A. bei den drei Wellenlängen
wie folgt zusammenhängen: E (S02) = A1 + k1.A2 + k2. A3 (4) E (N02) = k3.A2 + k4.
A3 (5) E (R) = k5.A2 + k6.A3 (6).
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Die Koeffizienten ki der gemessenen drei Gesamtextinktionen A1 bis
A3 werden als Querempfindlichkeits-Koeffizienten bezeichnet und sind Funktionen
der spezifischen Rauchextinktions-Koeffizienten E13 und E23. Die spezifischen Gasextinktionskoeffizienten
müssen bekannt sein und als konstante Größen eingesetzt werden.
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Für das beschriebene Beispiel ergeben sich für die Konstanten k1 bis
k6 folgende Beziehungen:
-1 k5 = E22 - E23 (11) Nach der Zeichnung sind die spezifischen Rauchextinktionskoeffizienten
E13, E23 an jeweils einem Potentiometer 22 bzw.
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23 einstellbar. Die eingestellten Spannungen werden über jeweils einen
Analog-Digital-Wandler 24, 25 dem Prozessor 16 zugeführt. Der Prozessor 16 errechnet
aus den Gleichungen (7) bis (11) die Konstanten k1 bis k6, wobei der Querstrich
zum Ausdruck bringen soll, daß die sechs Koeffizienten durch Verstellung der Potentiometer
22, 23 variierbar sind.
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Im Rechner 11 werden die Koeffizienten k1 bis k6 mit den Gesamtextinktionen
A1, A2 und A3 nach den Gleichungen (4), (5) und (6) kombiniert, so daß an den Meßinstrumenten
19, 20 und 21 die Ausgangswerte E (SO2), E (N02) bzw. E (R) erscheinen.
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Jetzt wird das optische Meßgerät 12 an einem Testkamin installiert,
in dem eine aus dem Rauch des tatsächlichen Meßkamins 13 herausgefilterte Rauchprobe
(Staubprobe) umhergewirbelt wird. Die Gase S02 und N02 sind in dem Testkamin nicht
vorhanden, so daß bei richtiger Wahl der Konstanten k1 bis k6 die Instrumente 19,
20 Null anzeigen müßten.
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Tatsächlich aber zeigen die Instrumente 19, 20 aufgrund der Querempfindlichkeit
einen gewissen Ausschlag, weil die Extinktion des Rauches wellenlängenabhängig ist.
Insbesondere zeigt der Versuch, daß der Spektralverlauf der Extinktion bei Rauchproben
von verschiedenen Kaminen unterschiedlich ist.
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Nunmehr werden bei der Anordnung am Testkamin die Potentiometer 22,
23 so lange verstellt, bis die Meßinstrumente 19, 20 den Wert Null anzeigen. Die
Koeffizienten k1 bis k6 weisen jetzt den richtigen Wert auf und können über die
Leitung 17 in den Festwertspeicher 15 eingeschrieben werden. Der Festwertspeicher
15 wird mit dem Rechner 11 und dem optischen Meßgerät 12 am tatsächlichen Meßkamin
13 installiert, wobei die einmal in dem Vorversuch ermittelten Konstanten als k1
bis k6 ständig zur Verfügung stehen. Der Prozessor 16 kann nach Lösung der Verbindungen
mit dem Festwertspeicher 15 und dem Rechner 11 für die Eichung eines anderen Meßgerätes
verwendet werden.
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Sofern in dem tatsächlichen Meßkamin mit Schwankungen der Wellenlängenabhängigkeit
des Rauches gerechnet werden muß, kann die Testmessung von Zeit zu Zeit wiederholt
werden, indem beispielsweise Staub aus dem Rauch gesammelt und immer wieder gemäß
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Korrektur der ki-Werte verwendet wird.
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Man könnte auch einen geschlossenen Abgleich-Regelkreis schaffen,
in dem die analoge Ausgangsspannung des Analysengerätes als Ist-Wert verwendet wird.
Desgleichen könnte auch sinngemäß ein rein digitaler Regelkreis aufgebaut werden,
indem die digitalen Ausgangsgrößen des Analysengerätes als Ist-Wert benutzt werden.
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Grundsätzlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der
Konzentrationsmessung von mehr als zwei Gasen und Rauch verwenden.
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Das Verfahren läßt sich auch auf nichtlineare Gleichungssysteme anwenden,
sofern die Querempfindlichkeits-Koeffizienten der bei einer Wellenlänge gemessenen
Gesamtextinktionen eindeutig sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch allein am Meßkamin angewendet
werden, wenn die Konzentration des Rauches und der interessierenden Gase durch andere
Verfahren mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden können. Die unbekannten
Extinktionskoeffizienten Eij werden dann auch hier solange verändert, bis die bekannten
Extinktionen bzw. Konzentrationen angezeigt werden.
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Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren sinngemäß auch für den
Abgleich der Koeffizienten in Analysengeräten zur Bestimmung der Konzentration von
flüssigen oder festen Stoffen verwendet werden. Die Meßstrecke ist in diesem Fall
kein Kamin, sondern z.B. eine Küvette.
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Die in der Zeichnung gezeigten, für den Koeffizientenabgleich zusätzlich
erforderlichen Funktionseinheiten 16, 22, 23, 24, 25 bzw. die entsprechenden Funktionseinheiten
in geschlossenen Abgleichregelkreisen können im optischen Meßgerät fest angeordnet
werden, insbesondere können der Rechner 11 und der Prozessor 16 in einer Funktionseinheit
zusammengefaßt sein.
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Statt der Koeffizienten EiX können auch Verhältnisse von Eij ein-
und derselben Stoffkomponente variiert werden. Die Gleichungskoeffizienten k. errechnen
sich dementsprechend bei obigem Beispiel mit drei Stoffkomponenten wie folgt:
Es ist zu beachten, daß häufig nur die Verhältnisse der Extinktionskoeffizienten
Eij einer Stoffkomponente als reine Zahlen bestimmt werden, nicht ihre Absolutwerte
mit einer physikalischen Dimension. Deshalb setzt man zweckmäßigerweise einen Extinktionskoeffizienten
jeder Stoffkomponente gleich 1.
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Bei Verwendung von Multiplikatoren kann der Wertumfang der Extinktionskoeffizienten
Eij den Verhältnissen beider gemessenen Stoffkomponenten angepaßt werden.