DE3021041C2 - Meßverfahren und -gerät zur gleichzeitigen Bestimmung des Konzentrations- und des Verdünnungsverhältnisses zweier Gase einer Gasmatrix - Google Patents
Meßverfahren und -gerät zur gleichzeitigen Bestimmung des Konzentrations- und des Verdünnungsverhältnisses zweier Gase einer GasmatrixInfo
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Description
P.Q·
ζ1 = Σ
μ=0.
rens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen einzigen Meßaufnehmer (4) zur
Erzeugung eines elektrischen Signals aus einem optischen Signal, durch eine Einrichtung (13,14) zur
Zerlegung des elektrischen Signals in zwei voneinander linear unabhängige Signalkomponenten S]
und S2, durch einen der Zerlegungseinrichtung (13,
14) nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler (21), der wechselweise mit den Signalkomponenten Si
und S2 beaufschlagbar ist, durch eine dem Analog/
Digital-Wandler (21) nachgeschaltete Rechnereinheit (22), der die Digitalwerte des Analog/Digital-Wandlers
(21) sowie die Werte der Polynom-Koeffizienten zuführbar sind, und durch Anzeigeeinheiten
(24, 25) für die in der Rechnereinheit (22) errechneten Werte Zund Z'.
7. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zerlegung des
einzigen elektrischen Signals in zwei voneinander linear unabhängige Signalkomponenten Si und S2 in
zwei phasenempfindlichen Gleichrichtern (13, 14) besteht
8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem phasenempfindlichen Gleichrichter^,
14)ein Frequenzfilter (11,12) vorgeschaltet ist.
9. Meßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analog/Digital-Wandler
(21) zwecks dessen wechselweiser Beaufschlagung mit den Signalkomponenten Si und S2 ein
insbesondere automatisch arbeitender Umschalter (20) vorgeschaltet ist.
10. Meßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnereinheit
(22) zwei Ausgänge besitzt, an die je eine Anzeigeeinheit (24, 25) jeweils für einen der beiden
errechneten Meßwerte Zund Z'angeschlossen ist.
11. Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß den beiden zur Zerlegung des elektrischen Signals in zwei voneinander
linear unabhängige Signalkomponenten Si und S2 dienenden phasenempfindlichen Gleichrichtern
(13, 14) eine Lichtschranke (15), ein dieser nachgeschalteter Verstärker (16) und ein wiederum
diesem nachgeschalteter Frequenzwandler (17) zugeordnet sind, wobei von letzterem aus die beiden
Gleichrichter (13, 14) mit der einfachen bzw. der doppelten Wobbelfrequenz ansteuerbar sind.
12. Meßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Frequenzwandler (17) und jedem der beiden phasenempfindlichen Gleichrichter
(13, 14) eine Einstelleinrichtung (18, 19) für die Phasenlage angeordnet ist.
verwendet werden.
6. Meßgerät zur Durchführung des Meßverfah-Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung des Konzentrationsverhältnisses sov/ie des Verdünnungsverhältnisses zweier optisch aktiver Gase in einer optisch inaktiven Gasmatrix gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Meßgerät zur Durchführung dieses Verfahrens.
6. Meßgerät zur Durchführung des Meßverfah-Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung des Konzentrationsverhältnisses sov/ie des Verdünnungsverhältnisses zweier optisch aktiver Gase in einer optisch inaktiven Gasmatrix gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Meßgerät zur Durchführung dieses Verfahrens.
Aus der DE-OS 24 60 895 ist bereits ein Verfahren bekannt, das es gestattet, das Konzentrationsverhältnis
65
zweier infrarot-aktiver Gase, deren Absorptionsspektren sich überlappen, direkt zu messen, ohne daß die
Einzelkonzentrationen bekannt sind.
Bei einer Ausführungsform dieses vorbekannten Verfahrens wird an der vom zu untersuchenden
gasförmigen Stoffgemisch, beispielsweise bestehend aus CO, CO2 und N2, durchgelassenen Strahlung eine dem
Verhältnis IVI", d.h. dem Verhältnis der ersten Ableitung /' zur zweiten Ableitung /" der spekfalen
Intensität^verteilung, proportionale Größe gemessen und als Maß für das Konzenirationsverhältnis von CO
zu CO2 verwendet, wobei die Messung im Bereich des Absorptionsminimums zwischen den Absorptionsmaxima
der beiden Komponenten CO und CO2 vorgenommen wird. Bei diesem vorbekannten Verfahren wird nur
ein einziger Aufnehmer verwendet, aus dessen Ausgangssignal die beiden Signale /' und /" gewonnen
werden.
F i g. 1 zeigt das mit einer geeigneten Apparatur gemessene Signal /'in Abhängigkeit vom Signal /". Die
Punkte 1, 2 und 3 stellen dabei jeweils Verdünnungen von 1 :1,1 :10 und 1 :100 dar. Nach dem Verfahren der
DE-OS 24 69 895 soll der Quotient /77" ein verdünnungsunabhängiges Maß für das Konzentrationsverhältnis
CO/CO2 darstellen. Dies gilt aber stets nur dann, wenn jede der in Fig. 1 dargestellten Meßkurven eine
Gerade ist und sich gleichzeitig die zu verschiedenen CO/CO2-Verhältnissen gehörenden Geraden alle im
Null-Punkt /'-/"-Diagramms schneiden. Wie aus Fig. 1
ersichtlich ist gilt dies jedoch insbesondere für große
Verdünnungen nicht; vielmehr läßt Fig. 1 sogar erkennen, daß ganz offensichtlich das Verdünnungsverhältnis
eine Störgröße darstellt. Es ist jedoch nicht sinnvoll, die Störgröße »Verdünnung« konstant zu
halten und bei der Kalibrierung des Meßgerätes zu berücksichtigen, weil dadurch der Anwendungsbereich
des Meßgerätes über Gebühr eingeschränkt würde.
F i g. 2 zeigt die aus F i g. 1 gewonnenen Quotienten /'//"in Abhängigkeit vom CO/CO2-Verhältnis bei einem
Verdünnungsverhältnis von 1 :1 (voll ausgezogen gezeichnete Kurve). Es ist notwendig, diese Kurve zu
linearisieren und anschließend mit einem konstanten Faktor zu multiplizieren, um su einen normierten
Ausgangswert zu erreichen. Die in Fig. 2 gestrichelt
gezeichnete Kurve ist bei einein Verdünnungsverhältnis
von 1 : 100 aufgenommen worden. Wie aus F i g. 2 ganz offensichtlich erkennbar ist, beeinflußt die Störgröße
»Verdünnungsverhältnis« den Quotienten / /" erheblich. Nach dem Fehlerforipflan/L.ngsgesetz können sich
der Verdünnungsfehler, der Linearisierungufehler und
der Fehler bei der Multiplikation ungünstig zu einem
verhältnismäßig groL'en Gesarrufc hler zusammenfinden.
Die vorliegende ErlinUung beruht auf der Erkenntnis,
daß Fig. 1 bereits alle informationen enthält, die notwendig sind, um das Konzenirationsverhältnis der
beiden Meßgase unabhängig voin Verdünnungsverhältnis
darzustellen und gleichzeitig das Ycduniiungsverhältnis
selbst als Meßergebnis zur Verfügung zu stellen.
Offensichtlich enthält somit Fig. 1 auch gleichzeitig alle
zur Darstellung der ^kbsolut Konzentrationen der beiden Gase erforderlichen Informationen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete Verfahren so auszubilden, daß die
Störgröße »Verdünnungsverhältnis« den darzustellenden Meßwert »Konzentrationsverhältnis« nicht beeinflußt,
daß darüber hinaus das »Verdünnungsverhältnis« selbst als Meßergebnis aufgefaßt und als weiter
darzustellender Meßwert zur Anzeige gebracht werden kann und daß Linearisierung und Normierung Teil eines
einzigen Auswerteschrittes sind. Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, ein zur Durchführung
des zu schaffenden Verfahrens geeignetes Meßgerät zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in verfahrenstechnischer bzw. gerätetechnischer Hinsicht durch die
im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 bzw. 6 angegebenen Maßnahmen gelöst
Anders ausgedrückt besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß zunächst zwei linear unabhängige
Meßsignale S\ und S2 gewonnen werden, denen mittels
zwei Polynome jeweils eindeutig linearisierte und
normierte Meßgrößen Zund Z'zugeordnet werden. Zur Kalibrierung des Meßgerätes werden Meßproben
gemessen, deren Konzentrationsverhältnis Z und Verdünnungsverhältnis Z'bekannt sind, und zwar unter
Variation von Zund Z'. So werden Zahlentripel Z, Su S2
und Z', Si, S2 gewonnen, die ihrerseits Punkte im
dreidimensionalen Raum darstellen.
Die durch Messung gewonnenen Zahlentripel lassen sich durch Polynome, z. B. in der Form
P. Q
ζ = Σ
•χ-Ο.
ι =0
ι =0
/Μ.'1
ζ' = Σ
1=0
approximieren.
Die Polynome stellen im allgemeinen Fall gekrümmte Flächen im dreidimensionalen Raum dar. Die Koeffizienten
dieser Polynome lassen sich im Wege der bekannten multiplen Regressionsanalyse derart bestimmen,
daß die Summe der Quadrate der Abstände der Zahlentripel (als Punkte im dreidimensionalen Raum
aufgefaßt) von der Fläche ein Minimum annimmt. Unter
»Abstand« wird dabei nicht die Länge des Lotes eines Punktes auf die Fläche, sondern der Abstand in Z- bzw.
Z'- verstanden. Für die Güte der Kalibrierung unter Zugrundelegung des Polynoms ist es wesentlich, daß
eine möglichst große Anzahl möglichst gleichmäßig
über den Nenngebrauchsbereich des Meßgerätes verteilter und im Wege der Messung gewonnener
Zahlentripel in die Kalibrierung einfließt
Der insbesondere bei hohen Polynomgraden sehr erhebliche Rechenaufwand für die multiple Regressionsanalyse
läßt sich ohne weiteres bei entsprechender Gestaltung des Gerätes auch innerhalb desselben
ausführen. Selbstverständlich kann die multiple Regressionsanalyse jedoch auch außerhalb des eigentlichen
Meßgerätes durchgeführt werden, und zwar sowohl unter Zuhilfenahme einer eigenständigen Recheneinheit
als auch unter Zuhilfenahme einer im Bedarfsfall an das Meßgerät direkt anschließbaren Recheneinheit.
Die Berechnung der anzuzeigenden Meßwerte Zund Z' erfolgt dagegen auf jeden Fall im Meßgerät.
Selbstverständlich ist es auch möglich, aus Konzentrationsverhältnis
und Verdünnungsverhältnis innerhalb des Gerätes die Absolut-Konzentrationen der beiden
Meßgase zu berechnen und gleichzeitig oder alternativ
zur Anzeige zu bringen. Weiterhin ist es auch denkbar,
bei der Kalibrierung Z und Z' selbst als Absolut-Konzenlrationen
aufzufassen, so daß das Verfahren die Absolut-Konzentrationen der beiden Meßgase unmittelbar
zur Anzeige bringt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Meßgeräts sind aus den Unteransprüchen
2 bis 5 bzw. 7 bis 12 zu ersehen.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Meßgeräts gemäß F i g. 3 weiter ins einzelne gehend erläutert.
Fig.3 stellt eine Prinzipskizze des Meßgerätes in
einer Ausführungsform dar, bei der Konzentrationsund Verdünnungsverhältnis im Meßgerät aus Si und 52
berechnet und zur Anzeige gebracht werden, während die multiple Regressionsanalyse außerhalb des Gerätes
durchgeführt wird.
Breitbandiges Infrarotlicht einer Lichtquelle 1 durchsetzt eine Meßküvette 2 und ein rotierendes Interferenzfilter
3 und bestrahlt einen breitbandigen Strahlungsdetektor 4. Das Interferenzfilter 3 ist in einem Ring
5, der um die Ringachse 6 rotiert, so montiert, daß das Lot 7 auf das Filter 3 um die Achse 6 eine
Taumelbewegung ausführt. Dabei ändert sich der Einfallswinkel (= Winkel zwischen den Achsen 7 und 8)
kontinuierlich und zyklisch, d. h. die Wellenlänge, die
r> zum Transmissionsmaximum des Interferenzfilters gehört,
variiert somit in guter Näherung sinusförmig.
Dem konstanten Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 4 ist somit ein Wechselsignal überlagert, das in 9
und 10 verstärkt die beiden Filter 11 und 12 durchläuft
ίο und anschließend in 13 und 14 phasenempfindlich
gleichgerichtet wird. Die beiden Gleichrichter 13, 14 werden über eine Lichtschranke 15, einen Verstärker 16
und einen Frequenzwandler 17 mit der einfachen bzw. der doppelten Wobbeifrequenz angesteuert, wobei die
Phasenlage über 18 und 19 eingestellt werden kann. Die beiden Ausgangssignale Si und S2 stehen an den
Buchsen 26 zu Kalibrierungszwecken an.
Die beiden Signale werden wechselweise von einem Umschalter 20 auf einen Analog/Digital-Wandler 21
gegeben und in einen Rechner eingespeist, der sie mit den Koeffizienten βμν aus dem Speicher 23 verknüpft
und die Rechenergebnisse Zund Z'auf den Anzeigen 24 und 25 darstellt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur gleichzeitigen Messung des Konzentrationsverhältnisses sowie des Verdünnungsverhältnisses
zweier Gase, deren Absorptions-Spektren sich im sichtbaren, im UV- oder im
IR-Bereich überlappen, in einer optisch inaktiven Gasmischung, auf der Basis der Wellenlängenmodulationsspektroskopie
mit der Modulationsfrequenz ωό, dadurch gekennzeichnet, daß beide
Meßgrößen aus dem Ausgangssignal eines einzigen Meßaufnehmers bestimmt werden, das in zwei
voneinander linear unabhängige Signalkomponenten S\ und 52 zerlegt wird, daß das Konzentrationsverhältnis Zund das Verdünnungsverhältnis Z'je als
Polynom der Signalkomponenten Si und £>
dargestellt werden, daß zur Kalibrierung des Meßgerätes die Signalkomponenten Si und S2 von Kalibrierungsproben mit bekanntem Konzentrationsverhältnis Z
und bekanntem Verdünnungsverhältnis Z', wobei beide Verhältnisse der Kalibrierungsproben den
gesamten Meßbereich möglichst gleichmäßig überdecken, gemessen werden, daß aus den so erreichten
Zahlentripeln Z, S1, S2 und Z', Si, S2 der Kalibrierungsproben
im Wege der multiplen Regressionsanalyse die Polynom-Koeffizienten derart bestimmt
werden, daß die Summe der Quadrate der Abstände der Zahlentripel in Z- bzw. Z'-Richtung von den
durch die beiden Polynome im dreidimensionalen Raum beschriebenen Flächen ein Minimum ist, daß
die multiple Regressionsanalyse mittels geeigneter elektronischer Schaltungen ausgeführt wird, daß die
Polynom-Koeffizienten mittels geeigneter elektronischer Schaltungen im Meßgerät gespeichert werden
und daß das Konzentrationsverhältnis Z und das Verdünnungsverhältnis Z' im Meßgerät errechnet
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des einzigen
Meßaufnehmers in die beiden voneinander linear unabhängigen Signalkomponenten S\ und S2 elektronisch
zerlegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zur elektronischen Zerlegung des
Ausgangssignals des einzigen Meßaufnehmers zwei phasenempfindliche Gleichrichter verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden phasenempfindlichen
Gleichrichter mit der Modulationsfrequenz ωο und
der doppelten Modulationsfrequenz 2ct>o angesteuert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung des
Konzentrationsverhältnisses Z und des Verdünnungsverhältnisses Z'die Polynome
PQ
ζ = Σ
,. Si Sy
. «0
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DE3200128C2 (de) * | 1982-01-05 | 1987-03-26 | Georgij Trofimovič Moskva Lebedev | Vorrichtung zur Analyse von Gas-Luft-Gemischen |
FI91021C (fi) * | 1988-11-04 | 1994-04-25 | Instrumentarium Oy | Laite kaasujen tunnistamiseksi ja pitoisuuden mittaamiseksi sekä menetelmä kaasujen tunnistamiseksi |
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1980
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Non-Patent Citations (1)
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