CH685889A5 - Method and apparatus for determining gas concentrations in a gas mixture - Google Patents
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Abstract
Description
1 1
CH 685 889 A5 CH 685 889 A5
2 2nd
Beschreibung description
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. The present invention relates to a method and a device for determining gas concentrations in a gas mixture in the exhaust gas monitoring of heating systems according to claims 1-8 or 9-14, and uses according to claims 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. Previously known systems for exhaust gas monitoring in heating systems record and process not only the temperature, but also the pressure of the supply air and, if necessary, the oxygen content of the exhaust gas. Further control requires not only determining the content of carbon dioxide in the exhaust gas, but also that of carbon monoxide.
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. PS-EP 277 622 describes a detection device for the optical-spectroscopic detection of gases by means of the photoacoustic effect. This device essentially consists of a light source, a detector designed as a gas collecting cell and signal processing means. After passing through a narrowband interference filter, the light from the source is radiated into a photoacoustic gas cuvette containing the measurement gas and the measurement is carried out with the cuvette closed or nearly closed. The disadvantage here is the fact that this arrangement has no means of avoiding, or correcting or compensating, for contaminants which are deposited on the entrance window and thus significantly impair the service life.
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. According to PS-JP 2-116 737, a CO analysis device is known which essentially has a main detector and a compensation detector, as a result of which interference components are effectively eliminated. This transmission process is characterized by a complicated design of the arrangement, which includes requires two sealed gas cells, which has an adverse effect on inexpensive production.
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. Furthermore, T.F. Deaton et al. described a differential photoacoustic method which is particularly suitable for the determination of very small concentrations of methane, carbon dioxide and nitrogen dioxide (Appi. Physics Lett., Vol. 26, 300-303 (1975)). A disadvantage is the high experimental effort, which is primarily due to the use of a deuterium fluoride (DF) laser.
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. The object of the present invention is to provide methods and devices with which gas concentrations in a gas mixture (carbon dioxide and carbon monoxide) are determined in combination in a measuring system and which can be produced inexpensively and used in the exhaust gas monitoring of heating systems. In addition, such a method is intended to ensure that the measuring system based thereon can work maintenance-free over a long period of time and has a long service life. The achievable measurement accuracy must be sufficient to control a heating burner so that the legal requirements, e.g. those of an Air Pollution Control Ordinance (LRV) are met.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels Verfahren gemäss dem Wortlaut der Patentansprüche 1-8 und mittels Vorrichtungen gemäss dem Wortlaut der Patentansprüche 9-14 gelöst. According to the invention, this object is achieved by means of methods according to the wording of claims 1-8 and by means of devices according to the wording of claims 9-14.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 Schematische Darstellung des Messprinzips zur kombinierten Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch Fig. 1 Schematic representation of the measuring principle for the combined determination of gas concentrations in a gas mixture
Fig. 2 Flussdiagramm eines Messverfahrens zur kombinierten Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch 2 shows a flow diagram of a measurement method for the combined determination of gas concentrations in a gas mixture
Fig. 3 Schematischer Aufbau eines Messsystems mit einem kombinierten Sensorsystem für in der gleichen Messzelle durchgeführte photoakustische und Schall-Messung 3 shows a schematic structure of a measuring system with a combined sensor system for photoacoustic and sound measurements carried out in the same measuring cell
Die Erfindung wird im weiteren an Hand der Fig. 1-3 näher beschrieben. The invention is described in more detail below with reference to FIGS. 1-3.
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- 1 shows a schematic representation of the measuring principle for the combined determination of gas concentrations in a gas mixture. The measuring system 100 consists of a sensor system 110, a control and evaluation unit 120 and the data lines 130, which connects the sensor system and the control and evaluation unit. The sensor system 110 is connected via a thermally shielded line 102 to a sample space, for example a chimney 103, in which the exhaust gases are present as a hot gas mixture mixed with particles, in particular with soot. For the sampling of a gas sample 104, a pump 1 is provided, which via a line 5, a filter 6, a line 7, an acoustic resonator 10, a line 9, a valve 8, a line 11 and a photoacoustic cell 20 leads the sensor system 110. The gas sample is conducted out of the sensor system 110 again via a line 2, a valve 3, a line 2 ′ and a line 4. The line 5, which is surrounded by a thermal shield 102, connects the interior of the chimney 103 tightly to the filter 6. At the outlet of the filter 6 there is a gas mixture free of particles of any kind, in particular of soot particles, i.e. a cleaned gas sample 105 is available, which is fed via line 7 into resonator 10. In the resonator 10 there is a transmitter 41 and a receiver 42, which are at a fixed distance from one another, and thus meet the requirements for measuring the speed of sound in the cleaned gas sample 105. In the resonator 10, the concentration of the first gas component, for example a CO 2 concentration, is determined via the speed of sound of the gas mixture or the cleaned gas sample 105. A further valve 8 with lines 9 and 11 is provided on resonator 10, which leads the cleaned gas sample 105 via line 11 into a compartment 21 of photoacoustic cell 20. The compartment 21 is provided with a partition 23, which has an optical window 24. Via a valve 12 and the lines 13, 14, the cleaned gas sample 105 reaches a compartment 22, which in turn connects the valve 3 via a line 2.
5 5
10 10th
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bunden ist. Das Kompartiment 21 weist eine weitere Trennwand 25 mit einem Interenzfilter 26 auf, welche der Trennwand 23 gegenüberliegt und welche auf der dem Kompartiment 21 gegenüberliegenden Seite im Kompartiment 27 eine IR-Quelle 28 aufweist. Das Kompartiment 22 weist im weiteren einen Detektor 29 und ein Mikrophon 31 auf, welches seitlich an der photoakustischen Zelle 20 angebracht ist. Die IR-Quelle 28, das Mikrofon 31 und der Detektor 29 sind über die Leitungen 51, 51' und 51" mit einer Signalverarbereitungseinheit 50 verbunden, die ihrerseits über eine Leitung 52 mit einer Rechnereinheit 80 verbunden ist. Der Geber 41 und der Empfänger 42 sind über die Leitungen 61 und 61' mit einer Signalverarbereitungseinheit 60 verbunden, die ihrerseits über eine Leitung 62 mit der Rechnereinheit 80 verbunden ist. Eine Temperatursonde 73 ist über eine Leitung 71 mit einer Signalverarbereitungseinheit 70 verbunden, die ihrerseits über eine Leitung 72 mit der Rechnereinheit 80 verbunden ist. Am Ausgang 81 der Rechnereinheit 80 stehen die Messwerte der Konzentrationen der ersten und zweiten Gaskonzentration (CO2- und CO-Konzentrationen) für eine weitere Verwendung zur Verfügung, sei es für eine Anzeige, oder für eine Dokumentation irgendwelcher Art, insbesondere aber für die Steuerung und Regelung von Verbrennungsanlagen. is bound. The compartment 21 has a further partition 25 with an interference filter 26, which is opposite the partition 23 and which has an IR source 28 on the side opposite the compartment 21 in the compartment 27. The compartment 22 also has a detector 29 and a microphone 31 which is attached to the side of the photoacoustic cell 20. The IR source 28, the microphone 31 and the detector 29 are connected via lines 51, 51 'and 51 "to a signal processing unit 50, which in turn is connected via a line 52 to a computer unit 80. The transmitter 41 and the receiver 42 are connected via lines 61 and 61 'to a signal processing unit 60, which in turn is connected to the computer unit 80 via a line 62. A temperature probe 73 is connected via a line 71 to a signal processing unit 70, which in turn is connected to the computer unit via a line 72 80. At the output 81 of the computer unit 80, the measured values of the concentrations of the first and second gas concentrations (CO2 and CO concentrations) are available for further use, be it for display or for documentation of any kind, but in particular for the control and regulation of incineration plants.
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. The method according to the invention is explained in more detail with reference to the flow chart (FIG. 2), the general steps being shown in FIG. 2. For the description of the different process steps, those reference numbers of the flow chart are used which are given for the structure of the individual steps.
Fig. 2 zeigt das Flussdiagramm für ein Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Gaskonzentrationen in Gasgemischen welches durch die Schritte 1-5 nachstehend beschrieben wird: 2 shows the flow diagram for a method for the combined determination of gas concentrations in gas mixtures, which is described by steps 1-5 below:
1. Probenahme 1. Sampling
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. The starting point of the process is a gas sample that is to be examined or analyzed. This is generally a mixture of several components and is usually in a contaminated form, whereby the contaminants can be both liquid and solid. For example, the exhaust gas sample from an incineration plant contains soot components. Sampling must be carried out at a point that enables a representative sample to be taken. It is made possible, for example, via a controlled vacuum system, in that a pump generates the necessary vacuum, and a circuit of valves, which are arranged in the supply lines, ensures that a sufficient amount of the gas mixture is fed into the analysis space during the valve opening times.
2. Reinigung 2. Cleaning
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. The gas mixture is fed to a filter or a soot filter, which ensures that the cleaned gas sample leaving the filter no longer has any disturbing amounts of solids due to the selected pore size. This cleaning of the gas sample is of crucial importance, since the lifespan of a measuring system essentially depends on the measures taken to avoid any kind of contamination. The pump performance, the cross-sections of the supply lines, the valve cross-sections, the filter area and the pore size of the filter, with their interdependencies, determine the valve opening times that are necessary to ensure the presence of a homogeneous sample. The gas line that is intended for sampling and the filter are designed so that the gas sample in the subsequent units cannot fall below the dew point until the measurement system is left. This is ensured by appropriate thermostatting of the measuring system.
3.1. Bestimmung der ersten Gaskomponente 3.1. Determination of the first gas component
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. After the cleaned gas sample has been fed to an acoustic resonator, it is measured there after a dwell time of a few seconds. This is done in a manner known per se by measuring the speed of sound of the cleaned gas sample. In the acoustic resonator there is a transmitter and a receiver at a fixed distance. The transmitter frequency is now determined in such a way that the electrical receiver signal is in phase with the electrical transmitter signal. This frequency is a measure of the speed of sound, from which the concentration of the first gas component, for example the CC> 2 concentration, is then determined. This measurement technique is not discussed in more detail here (B.A. Younglove, N.V. Frederik, Int.Journal of Thermophysics, Vol. 11/5, 897-905 (1990)). It is essential that a CO concentration that may be present in the cleaned gas sample can practically not influence the measurement accuracy, because on the one hand the CO concentrations in the range of 0-1000 ppm, i.e. 0-0.1%, and on the other hand because the carbon monoxide and the nitrogen present in large excess have practically identical molecular weights. The concentration of the first gas component, for example the CO 2 concentration, is thus determined undisturbed next to the carbon monoxide. At the end of this process step, a frequency which is proportional to the concentration of the first gas component, for example the CO 2 concentration, is the basis and is processed further in process step 4.
3.2. Bestimmung der zweiten Gaskomponente 3.2. Determination of the second gas component
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 After the cleaned gas sample has been fed to a photoacoustic cell, it is measured there after a residence time of a few seconds. This is done in a manner known per se by using the photoacoustic effect. An IR light source is modulated and the modulation of the energy absorbed in the cleaned gas sample is measured via a microphone. An 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. Limit filter, which is arranged between the light source and the gas cell, is selected so that the transmission wavelength of the interference filter just matches that absorption band of the second gas component, for example the CO absorption band. This largely suppresses disruptive influences. Further details of this measurement technology are not discussed in detail here. At the end of this process step there is a measurement signal which has a linear relationship to the concentration of the second gas component, for example the CO concentration, and which process step 4 is processed further.
4. Signalverarbeitung 4. Signal processing
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. The frequency proportional to the concentration of the first gas component, for example the CO 2 concentration, and the measurement signal which has a linear relationship to the concentration of the second gas component, for example the CO concentration, are each fed to a signal processing unit and processed electronically such that signals are output at the output of these signal processing units are present, which can be fed to the computer unit.
5. Auswerten 5. Evaluate
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. The measurement signal of the photoacoustic cell is recorded once with the valve closed and once with the valve open. The two amplitude values of the measurement signal change in different ways with the concentrations of the gas components, for example with the concentrations of the CO or the CO2. This characteristic and the value of the first gas component, for example the CO 2 concentration, determined by means of the speed of sound, allow the superimposed portion and thus the concentrations of the second gas component, for example the CO concentration, to be extracted.
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. The measurement signals are processed in the computer unit in such a way that there are digital signals at the output which can be supplied, for example, to a display or which are kept available for any other use. Operations such as linearizations, offset corrections, smoothing and averaging of any kind are possible.
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. The options for determining the concentrations of the first and second gas components, for example the CO2 and CO concentrations, set out in process steps 3.1 and 3.2 represent only one type of problem solution. Furthermore, this method can be simplified in such a way that the Both gas concentrations are supplied to a single measuring cell, which on the one hand has the properties of the acoustic resonator, and on the other hand that of a photoacoustic cell. This naturally simplifies the necessary supply and discharge lines for the cleaned gas sample and the requirements for the control, both of which have an advantageous effect on the production costs. The elimination of one measuring system is also advantageous, although the remaining one is somewhat more complex.
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 3 shows a schematic representation of the structure of a measuring system with a combined sensor system for photoacoustic and sound measurements carried out in the same measuring cell. The measuring system 100 consists of a sensor system 110, a control and evaluation unit 120 and the data lines 130, which connects the sensor system and the control and evaluation unit. The sensor system 110 is connected via a thermal shield 102 to a sample chamber, for example a chimney 103, in which the exhaust gases are present as a hot gas mixture mixed with particles, in particular with soot. For the sampling of a gas sample 104, a pump 1 is provided, which leads the gas sample into the sensor system 110 via a line 5, a filter 6, a line 7 and a measuring cell 30. The gas sample is conducted out of the sensor system 110 again via a line 2, a valve 3, a line 2 ′ and a line 4. The line 5, which is surrounded by a thermal shield 102, connects the interior of the chimney 103 tightly to the filter 6. At the outlet of the filter 6 there is a gas mixture free of particles of any kind, in particular of soot particles, i.e. a cleaned gas sample 105 is available, which is led via line 7 and an opening 153 into a compartment 121 of the measuring cell 30. The compartment 121 is provided with a partition 123 which has an optical window 124. The compartment 121 has a further partition 125 with an interference filter 126 or an IR bandpass filter, which is opposite the partition 123. Furthermore, the compartment 121 is equipped with a transmitter 152 and a receiver 151, which are located at a fixed distance from one another, and thus meet the requirements for measuring the speed of sound in the cleaned gas sample 105. The line 7 ends with the opening 153, which is embedded in the receiver 152; it is so small that it cannot interfere with sound measurement. Of course, it can also be attached to another location in the compartment 121. In the compartment 121 of the measuring cell 30, the CO 2 concentration, for example, is determined via the speed of sound of the cleaned gas sample 105. A valve 112 and the lines 113, 114 are provided on the compartment 121 of the measuring cell 30, via which the cleaned gas sample 105 reaches a compartment 122, which in turn is connected to the valve 3 via a line 2 and adjoins the compartment 121. Adjacent to the partition wall 125, on the side opposite the compartment 121, is a compartment 127 in which an IR source 128 is located. The compartment 122 also has a detector 129 and a microphone 131, which is attached to the side of the measuring cell 30. The IR source 128, the microphone 131 and the detector 129 are connected to a signal processing unit 50 via the lines 51, 51 'and 51 "
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
4 4th
7 7
CH 685 889 A5 CH 685 889 A5
8 8th
verbunden, die ihrerseits über eine Leitung 52 mit einer Rechnereinheit 80 verbunden ist. Der Geber 151 und der Empfänger 152 sind über die Leitungen 61 und 61' mit einer Signalverarbereitungseinheit 60 verbunden, die ihrerseits über eine Leitung 62 mit der Rechnereinheit 80 verbunden ist. Eine Temperatursonde 73 ist über eine Leitung 71 mit einer Signalverarbereitungseinheit 70 verbunden, die ihrerseits über eine Leitung 72 mit der Rechnereinheit 80 verbunden ist. Am Ausgang 81 der Rechnereinheit 80 stehen die Messwerte der Konzentrationen der ersten und zweiten Gaskomponente, beispielsweise der CO2- und CO-Konzentrationen, für eine weitere Verwendung zur Verfügung, sei es für eine Anzeige, oder für eine Dokumentation irgendwelcher Art, insbesondere aber für die Steuerung und die Regelung von Heizungsanlagen. connected, which in turn is connected to a computer unit 80 via a line 52. The transmitter 151 and the receiver 152 are connected via lines 61 and 61 'to a signal processing unit 60, which in turn is connected to the computer unit 80 via a line 62. A temperature probe 73 is connected via a line 71 to a signal processing unit 70, which in turn is connected to the computer unit 80 via a line 72. At the output 81 of the computer unit 80, the measured values of the concentrations of the first and second gas components, for example the CO2 and CO concentrations, are available for further use, be it for display or for documentation of any kind, but especially for that Control and regulation of heating systems.
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. Applications for such a method and the corresponding devices are the determination of concentrations in gas mixtures, such as carbon dioxide and carbon monoxide, in exhaust gases of all kinds, but especially those of heating systems and the like. With the measured parameters determined, the control and regulation of combustion processes can be significantly improved and optimized.
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). Of course, this method is not limited to the determination of carbon dioxide and carbon monoxide. Rather, there are a number of further gas combinations which can be determined using the described method or the corresponding devices. In addition to CO2, for example, NO and other nitrogen oxides can be determined; or methane (CH4), ethane (C2H6), Athens (C2H4), ethine (C2H2), water and ammonia (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. It is essential to the invention that the described method provides for the combination of two measuring methods in one sensor system. The concentration of the first gas component, for example the CO 2 concentration, in an acoustic resonator (10) and the concentration of the second gas component, for example the CO concentration, in a photoacoustic cell (20) are determined from a gas mixture in the sensor system (110) Integration of the acoustic resonator (10) and the photoacoustic cell (20) in a single measuring cell (30) represents a particularly advantageous exemplary embodiment.
Claims (17)
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