DE2918084C3

DE2918084C3 - Gerät zur Bestimmung der Extinktionen von Komponente eines Abgasgemisches

Info

Publication number: DE2918084C3
Application number: DE19792918084
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. 8000 München Dreusicke
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1979-05-04
Filing date: 1979-05-04
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE2918084A1; DE2918084B2

Description

d)

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Extinktionen von aus verschiedenen Gasen und ggfs. Rauchteilchen bestehenden Komponenten eines Abgasgemisches nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei allen bekannten Geräten dieser Art (DE-AS 30 331, DE-OS 22 13 456, DE-AS 25 21 934) müssen die Extinktionskoeffizienten der einzelnen Komponenten bekannt sein, um daraus die Koeffizienten der Linearkombination zu bestimmen. Die Bestimmung der Wellenlängenabhängigkeit der Extinktionen der einzelnen Komponenten ist jedoch ein sehr aufwendiges Verfahren. Außerdem ist es schwierig, während der Messung die Staubdichte bzw. Gaskonzentration konstant zu halten. Schließlich müßte für die Koeffizientenbestimmunmg eine Simultanmessung bei allen Meßwellenlängen erfolgen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Gerät der durch den Oberbegrifff des Patentanspruchs 1 gekennzeichneten Gattung zu schaffen, mit dem ohne vorherige Kenntnis der spezifischen Extinktionskoeffizienten der Komponenten die Koeffizienten der Linearkombination auf einfache Weise ermittelt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß nur

40

45

50

55

60

65 bei Veränderung der spezifischen Extinktionskoeffizienten der absorbierenden Komponenten ein eindeutiger, konvergierender Abgleich der Koeffizienten der Linearkombination möglich ist, daß sich dagegen bei Veränderung der Koeffizienten der Linearkombination keine eindeutige für alle Konzentrationen der absorbierenden Komponenten richtige Lösung der Linearkombination ergibt

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mit dem erfindungsgemäßen Gerät eine der Komponenten isoliert untersucht wird, das heißt, daß die Konzentration der übrigen Komponenten Null ist.

Bei unbekannten und daher beliebig eingestellten spezifischen Extinktionskoeffizienten derjenigen Komponenten, deren Konzentration Null ist, führt die Veränderung der spezifischen Extinktionskoeffizienten der einen, hinsichtlich ihrer Konzentration und Extinktion unbekannten absorbierenden Komponente zu einer Annäherung des Ausgangs der ersten Rechenschaltung an die Extinktion der einen hinsichtlich ihrer Konzentration und Extinktion unbekannten Komponente und die Extinktionen Null für die übrigen Komponenten.

Bei bekannten und richtig eingestellten spezifischen Extinktionskoeffizienten aller Komponenten bis auf eine führt die Veränderung der spezifischen Extinktionskoeffizienten der einen, hinsichtlich ihrer Konzentration und Extinktion unbekannten Komponente zu einer Annäherung des Ausgangs der ersten Rechenschaltung an die Extinktion der einen hinsichtlich ihrer Konzentration und Extinktion unbekannten Komponente und die bekannten Extinktionen der übrigen Komponenten.

Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Gerät bei der Bestimmung der Koeffizienten der Linearkombination der Komponenten eines aus zwei Gasen und Rauch bestehenden Abgasgemisches verwendet. Die Gase sind insbesondere SO₂ und NO₂.

Mit dem erfindungsgemäßen Gerät läßt sich insbesondere auch die nicht vernachlässigbarae Wellenlängenabhängigkeit der Extinktion des Rauches auf einfache Weise bestimmen.

Da es bei der Ermittlung der Koeffizienten der Linearkombination auf die Konzentration der Komponente, deren spezifische Extinktionskoeffizienten verändert werden, nicht ankommt, spielen Schwankungen der Konzentration des betreffenden Gases bzw. des aufgewirbelten Staubes oder Rauches während der Messung keine Rolle und verfälschen das Meßergebnis nicht.

Das erfindungsgemäße Gerät kann unmittelbar an einem Abgaskamin verwendet werden, wobei jedoch die Extinktionen aller Komponenten bis auf eine bekannt sein müssen. Aus diesem Grunde ist es bevorzugt, daß beispielsweise aus dem Kamin eine Staubprobe entnommen und in einer Testkammer umhergewirbelt wird, an welche das erfindungsgemäße Gerät angeschlossen ist.

Die mit dem erfindungsgemäßen Gerät ermittelten Koeffizienten der Linearkombination können in einem Festwertspeicher festgehalten und bei der laufenden Messung verwendet werden.

Mit dem erfindungegemäßen Gerät kann auch ohne weiteres ein Nullabgleich durchgeführt werden, indem festgestellt wird, ob am Ende eines durch Veränderung der Schaltelemente durchgeführten Abgleichvorganges, durch absichtlich herbeigeführte Änderungen der jeweiligen Komponente, deren spezifische Extinktionskoeffizienten verändert werden, der von der ersten

Rechenschaltung ermittelte Wert der Extinktion der übrigen, hinsichtlich ihrer Konzentration bekannten Komponenten noch beeinflußt wird.

Durch die Ausführungsform nach Anspruch 2 ist es möglich, die zweite Rechenschaltung bei mehreren Geräten zur Bestimmung der Extinktion anzuwenden, in dem sie jeweils für die Zeit d·.- Ermittlung der Koeffizienten der Linearkombination mit der ersten Rechenschaltung verbunden wird. Nach der Ermittlung der Koeffizienten können diese in einem Festwertspeicher festgehalten werden und stehen dann für den weiteren Betrieb des Gerätes laufend zur Verfügung.

Im einfachsten Falle sind die Schaltelemente zur Veränderung des spezifischen Extinktionskoeffizienten Potentiometer am Eingang der zweiten Rechenschaltung.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, deren Figur eine schematische blockartige Darstellung eines Gerätes zur Bestimmung der Extinktionen von aus zwei Gasen und Rauchteilchen bestehenden Komponenten eines Abgasgemisches zeigt.

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 andern Seite des Kamins angeordneten Retroreflektor 14 in sich zum Meßgerät 12 zurückreflektiert wird, wo ein geeignet befilterter Photoempfänger das Empfanssignal bei drei unterschiedlichen Wellenlängen feststellt. Sofern SO₂, NO₂ 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 Aüstretestufen in der DE-PS 25 21 934 beschrieben.

Das optische Meßgerät 12 liefert an eine erste Rechenschaltung 11 die bei den drei Meßwellenlängen festgestellten Gesamtextinktionssignale A_u A₂ und A₃. Diese Rechenschaltung 11 berechnet aus den drei Gesamtextinktionswerten und sechs durch einen Festwertspeicher 15 zugeführten Konstanten k\, /V₂, k₃, fe, k$ und kb drei für die Konzentrationen von SO₂, NO₂ bzw. Rauch charakteristische Ausgangssignale E (SO₂), E (NO₂) und E (R). Diese können beispielsweise auf numerischen Anzeigeinstrumenten 19, 20 bzw. 21 zur Anzeige gebracht werden.

Aus Vereinfachungsgründen erfolgt die Berechnung der drei für die Konzentration charakteristischen Ausgangswerte unter folgenden Voraussetzungen:

1. Die Abhängigkeit der Extinktion .E(NO₂) und E(R) von der NO₂- bzw. Rauchkonzentration ist linear.

2. Auf den Wellenlängen 313, 436 und 546 nm absorbieren nur die Abgaskomponenten SO₂, NO₂ und Rauch.

Weiter zeigen die Ausgangsinstrumente 19,20 und 21 nicht unmittelbar die Konzentrationen Q (SO₂), C₂ (NO₂) bzw. C₃ (Rauch) an, sondern Extinktionen, die wie folgt definiert sind:

£ (SO₂) = E_n- I- C,

(1)

wobei Ey die spezifische Extinktion der Komponente j bei der Wellenlänge /) / die Länge der insgesamt durchlaufenen Meßstrecke und Q die Konzentration der Komponente ,/ist.

(1) gibt also die Extinktion an. die durch SO₂ nur auf der Linie 313 nm verursacht wird.

Hierdurch wird die Extinktion angegeben, die durch NO₂ auf der Linie 436 nm verursacht wird.

E{ R) = E_n- I- C₃.

Dies ist die durch den Rauch auf der Linie 546 nm verursachte Extinktion.

Praktisch sind jedoch diese Extinktionen wegen des linearen Zusammenhanges mit Ci, 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 Es läßt sich zeigen, daß die drei von den Meßistrumenten 19, 20, 21 angezeigten Ausgangswerte mit den Gesamtextinktionen A₁ bei den drei Wellenlängen wie folgt zusammenhängen:

£(SO₂) = .-!, + A, · A₂ + A₂
£(NO₂) = A₅ · A₂ +k_A ■ A₃

£(R) = A₅ ■ A₂ + A₀ · A_}.

Die Koeffizienten k, der gemessenen drei Gesamtextinktionen -4i bis A₃ sind Funktionen der spezifischen Rauchextinktions-Koeffizienten En und E₂₃. Die spezifischen Extinktionskoeffizienten müssen bei den herkömmlichen Geräten bekannt sein und als Konstanten eingesetzt werden.

Für das beschriebene Beispiel ergeben sich für die Koeffizienten /Vi bis k_b folgende Beziehungen:

A₁ = - -

- E₁₂E_n

£22 -

A₃ = A₆ = —i»-

A₄ = -

£22 ~ £2.1
-1

£22 - £23

(10)

(11)

Nach der Zeichnung sind nur die spezifischen Rauchextinktionskoeffizienten En, E₂₃ an jeweils einem Potentiometer 22 bzw. 23 einstellbar. Die eingestellten Spannungen werden über jeweils einen Analog-Digital-Wandler 24, 25 einer zweiten Rechenschaltung 16 zugeführt. Die zweite Rechenschaltung 16 errechnet aus den Gleichungen (7) bis (11) Koeffizienten £i bis Jt₆, wobei der Querstrich zum Ausdruck bringen soll, daß die sechs Koeffizienten durch Verstellung der Potentiometer 22,23 variierbar sind.

In der ersten Rechenschaltung 11 werden die Koeffizienten k\ bis fa mit den Gesamtextinktionen A\, A₂ und A₃ nach den Gleichungen (4), (5) und (6) kombiniert, so daß an den Meßinstrumenten 19,20 und

21 entsprechende Ausgangswerte £(SC>2), E(NCh) bzw. £(R) erscheinen.

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 SO2 und NO2 seien in dem Testkamin nicht vorhanden, so daß bei richtiger Wahl der Konstanten k_t bis k_b Hie Instrumente 19,20 Null anzeigen müßten.

Tatsächlich aber zeigen die Instrumente 19, 20 aufgrund der Querempfindlichkeit einen gewissen Ausschlag, und zwar insbesondere weil die Extinktion des Rauches wellenlängenabhängig ist. Insbesondere zeigt der Versuch, daß der Spektralverlauf der Extinktion bei Rauchproben von verschiedenen Kaminen unterschiedlich ist.

Nunmehr werden bei der Anordnung am Testkamin die Potentiometer 22, 23 so lange verstellt, bis die Meßinstrumente 19, 20 den Wert Null anzeigen. Dies gelingt in nur wenigen, nacheinander erfolgenden Verstellschritten. Die Koeffizienten A₁ bis k_b weisen jetzt den richtigen Wert auf und können über die Leitung 17 in den Festwertspeicher 15 eingeschrieben werden.

Die erste Rechenschaltung 11 mit dem Festwertspeicher 15 und dem optischen Meßgerät 12 wird nun am tatsächlichen Meßkamin 13 installiert, wobei die einmal in dem Vorversuch ermittelten Koeffizienten k, bis k_b ständig zur Verfügung stehen. Die zweite Rechenschaltung 16 kann nach Lösung der Verbindungen mit dem Festwertspeicher 15 und der ersten Rechenschaltung 11 für die Eichung eines anderen Gerätes verwendet werden.

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 mit beschriebenem Gerät zur Korrektur der k,-Werte verwendet wird.

Man könnte auch einen geschlossenen Abgleich-Regelkreis schaffen, in dem die analoge Ausgangsspannung der ersten Rechenschaltung 11 als Ist-Wert verwendet wird. Desgeleichen könnte auch sinngemäß ein rein digitaler Regelkreis aufgebaut werden, indem die digitalen Ausgangsgrößen der ersten Rechenschaltung 11 als Ist-Wert benutzt werden.

Das beschriebene Gerät kann auch allein am Meßkamin angewendet werden, wenn die Konzentration des Rauches und der interessierenden Gase auf andere Weise mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden können. Die unbekannten Extinktionskoeffizienten E₁₁ werden dann auch hier solange verändert, bis die bekannten Extinktionen bzw. Konzentrationen angezeigt werden. Weiterhin kann das Gerät 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.

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 die erste und zweite Rechenschaltung 11, 16 in einer Funktionseinheil zusammengefaßt sein.

Statt der Koeffizienten Ey können auch Verhältnisse von E,j ein- und derselben Stoffkomponenten verändert werden. Die Gleichungskoeffizienten k, errechnen sich dementsprechend bei obigem Beispiel mit drei Stoffkomponenten wie folgt:

£Vi £"3;

A₆

En En	En E_n	En
Eu	E,:	En
En En	Ei: E₁₂	En
En	En	En En
En	En	En
En	En En	En
	En
En
En 1
£"33
En En
En
E_n

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

Es ist zu beachten, daß häufig nur die Verhältnisse der Extinktionskoeffizienten Ey einer Stoffkomponente als reine Zahlen bestimmt werden, nicht ihre Absolutwerte mit einer physikalischen Dimension. Deshalb setzt man

so zweckmäßigerweise einen Extinktionskoeffizienten jeder Stoffkomponente gleich 1.

Bei Verwendung von Multiplikatoren kann der Wertumfang der Extinktionskoeffizienten By den Verhältnissen beider gemessenen Stoffkomponenten angepaßt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

b) Patentansprüche:

1. Gerät zur Bestimmung der Extinktionen von aus verschiedenen Gasen und gegebenenfalls Rauchteil- ■"> chen bestehenden Komponenten eines Abgasgemisches mit

a) einer Einrichtung zur Messung der optischen Gesamtextinktionen des Abgasgemisches bei einer der Anzahl der Komponenten entsprechenden Zahl von Wellenlängen,
einer von den Gesamtextinktionen beaufschlagten ersten Rechenschaltung zur Ermittlung der Extinktionen der einzelnen Komponenten auf der Basis eines aus dem Lambert-Beerschen-Gesetz abgeleiteten, die Extinktionen als Linearkombination der Gesamtextinktionen darstellenden Gleichungssystem, gekennzeichnet durch

eine zweite Rechenschaltung (16) zur Ermittlung der Koeffizienten (k„) der Linearkombination aus dem spezifischen Extinktionskoeffizienten (Eij) der Komponenten und zur Versorgung der ersten Rechenschaltung (11) mit dem ermittelten Koeffizienten der Linearkombination, und

Schaltelemente (22, 23) zur Veränderung der in der zweiten Rechenschaltung (16) verwendeten spezifischen Extinktionskoeffizienten (Eij) einer der Komponenten.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rechenschaltung (16) über lösbare Steckverbindungen mit der ersten Rechenschaltung (11) verbunden ist

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente Potentiometer (22,23) sind.

c)