DE2918084A1 - Optical determn. of concn. of mixed gases - involves processing absorptions at different frequencies by computer - Google Patents
Optical determn. of concn. of mixed gases - involves processing absorptions at different frequencies by computerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Quer-The invention relates to a method for determining the transverse
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.sensitivity coefficients of several (n), especially three total extinctions (Ai) measured at one wavelength in each case with the additive Combination of the particularly linear total absorbance (Ai) determination of the concentration a corresponding number n of components (gases and possibly dust) in a gaseous medium or in transparent liquids or solids, in particular two gases, preferably SO2 and NO2 and dust in a mixture of these components or these two gases and the dust component. In addition, the invention wants a Device for carrying out this process with a computer, which is provided by an optical Measuring device on the test object or a test object at n wavelengths determined n Total absorbances as n electrical input signals and the cross-sensitivity coefficients the additive combinations are supplied from a read-only memory and from it n supplies proportional output values to the concentrations of the individual components, create.
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).Methods and equipment for determining the concentrations of the components a mixture consisting of two gases and smoke are known (DE-PS 21 30 331, DE-PS 25 21 934).
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.A problem with the known methods and devices for determining concentration consists in precisely determining the so-called cross-sensitivity coefficients. A trivial solution, the wavelength dependence of the extinctions of each To determine and take into account components would consist of the so-called Measure cross-sensitivity and then the new constants of the linear combination to calculate. As is well known, cross-sensitivity is understood to mean influencing an absorbance measurement through several gases. For example, if it is present of two gas components, in particular S02 and N02 as well as dust in a flue gas determine the extinctions at the three measurement wavelengths in a test fireplace in which only one gas component or only smoke or dust is present. This measurement method would however, do not lead to success because the dust density or gas concentration fluctuates and therefore the values cannot be measured with sufficient accuracy. In particular, a simultaneous measurement would be used to determine the coefficients all three measurement wavelengths required.
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.The aim of the invention is thus to provide a method and a To create device of the type mentioned, in which on extremely simple Assign the cross-sensitivity coefficients to the total absorbances measured the different wavelengths can be determined. In particular, it should be possible be, these coefficients by systematic variation of as few variables as possible can be determined quickly and reliably.
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.To solve this problem, the invention provides that at predetermined Concentrations of (n-1) components give the specific extinction coefficients the remaining component can be varied until the concentration is determined of the (n-1) components the predetermined concentrations due to the additive combination results. For this purpose, the device according to the invention is used to carry out the method provided that a processor can be connected to the computer, the input of which the changeable specific extinction coefficients supplied as electrical signals are and which from this the corresponding coefficients are calculated and sent to the computer gives away.
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.The invention is based on the knowledge that due to this procedure when there are n components (e.g. two gas components, one dust component) only n-1 specific extinction coefficients of the remaining component must be varied systematically. This means that e.g. when two gas components and dust or
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.Smoke to determine the cross-sensitivity coefficient only the two specific smoke extinction coefficients E13, E23 varied as long need to be until the additive combination of the measured at each wavelength Total absorbances those given by other methods Concentrations of the two gas components results.
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.It when the remaining component of the other components are examined separately and the variation of the specific Extinction coefficients (E13, E23) continue until the concentration is determined of the n-1 components the predetermined concentrations due to the additive combination results. In other words, only one of the components has to be isolated, which, for example, can be achieved in the case of a gas mixture in that one of the gases is examined in pure form in a test chamber. The other gas components have then the concentration is zero.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit vernünftigen Fehlergrenzen bei Medien mit bis zu maximal fünf Komponenten angewandt werden.The method according to the invention can have reasonable margins of error can be used for media with up to a maximum of five components.
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.If in the process the components are two gases, in particular S02, N02 and dust, the invention preferably provides that in a chamber in of the two gases in a predetermined concentration, preferably the concentration Zero are present, during each of the three concentration determinations at least one, Preferably two of the specific dust extinction coefficients varied as long be until the concentration determination, the predetermined gas concentrations, in particular Zero, results. The invention is further based on the assumption that the dependency the extinction of the smoke from the wavelength is not negligible. The consideration the wavelength dependence of the specific smoke or dust absorbance increases the measurement accuracy is essential. Due to the application of the method according to the invention In particular, it is avoided that fluctuations in dust density lead to a reduction in the Accuracy of the cross-sensitivity coefficient.
Erfindungsgemäß wird weiter davon ausgegangen, daß der in einem bestimmten tatsächlichen Kamin vorhandene Staub auch über längere Zeit eine gleichbleibende Wellenlängenabhängigkeit hat.According to the invention it is further assumed that the in a certain actual chimney existing dust even over a long period of time a constant one Has wavelength dependence.
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.For the ongoing determination of the concentration in such a chimney the invention therefore preferably provides that a dust sample is taken from the chimney and in a test chamber in which the two gas components are in predetermined concentrations present or preferably absent, being whirled around, the dust extinction coefficients can be varied and the coefficients determined in the process when determining the concentration used in the actual fireplace.
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.There is an advantageous further development of the device according to the invention in that there is a connection between the processor and the read-only memory, via which the coefficients determined to be applicable in the read-only memory are inscribable. The processor can be connected to the computer via detachable plug connections and the read-only memory connected, so that a certain, for the practical Use a certain device first by measuring the wavelength dependency the smoke absorbance in a test chamber to certain cross-sensitivity coefficients can be calibrated.
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.These cross-sensitivity coefficients measured before the device was delivered are then held in the read-only memory for all time. By reconnecting of the processor, however, a correction can be made at any time.
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.But it is also possible that according to a further advantageous embodiment the processor is an integral part of the Qptischen measuring device, so that at all times a readjustment of the cross-sensitivity coefficients is possible.
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.An embodiment particularly suitable for practice provides that the changeable specific extinction coefficients by hand, preferably are adjustable with a potentiometer. The operator needs the Potentiometer just twist it until the concentration display devices of the n-1 components the previously known concentrations, in particular the concentration Show zero.
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.Finally it is also possible that the changeable extinction coefficients can be set automatically by a closed control loop. In this case for example, the potentiometers are automatically adjusted by servomotors as long as until the concentration display devices determined the previously known, according to other methods Display concentration values of the n-1 components. Preferably the control loop should work digitally.
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.The invention provides for the determination of two gases and dust or smoke suggest that the processor has two potentiometers for varying the specific dust extinction coefficient are provided and the processor the six cross-sensitivity coefficients as output variables supplies.
Hierbei ist es zweckmäßig, wenn zwischen den Potentiometern und der Rechenschaltung Analog-Digital-Wandler eingeschaltet sind.It is useful if between the potentiometers and the Computing circuit analog-to-digital converter are switched on.
Wie bereits erwähnt wurde, besteht die bevorzugte Anwendung der Erfindung bei der Konzentrationsbestimmung von zwei oder mehr Gaskomponenten und einer Staubkomponente in einem Kamin.As already mentioned, the preferred application of the invention is when determining the concentration of two or more gas components and one dust component in a fireplace.
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.The preferred method according to the invention now provides that a Dust sample is taken from the measuring chimney and swirled around in a test chimney, in which the two gases in a predetermined concentration, preferably the concentration Zero present that during each of the three concentration determinations at least one of the smoke extinction coefficients is varied until the concentration is determined the given gas concentrations and that the determined cross-sensitivity coefficients can be used to determine the concentration in the measuring chimney. The essence of the invention consists so that not the cross-sensitivity coefficients of the linear combination, but the specific smoke extinction coefficients during the measurement on the test chimney can be varied. Although this requires a somewhat larger circuitry effort, which, however, is justified by the fact that only this detour is an unambiguous one Adjustment of the cross-sensitivity coefficient is possible. It is just as important that a zero adjustment should preferably be carried out. Under DJullabgleich is here understood a comparison in which the display of the (n-1) components when correct Adjustment, at the end of the adjustment process, due to fluctuations & or intentional Changes) the concentration of the n-th component is no longer influenced and regardless of whether the concentrations of the (n-1) components are zero or finite are.
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.According to the invention, therefore, the fluctuations in dust density interfere on the test track no longer. The output signal can be electronically averaged for any length of time, which practically completely eliminates the errors caused by statistical fluctuations will.
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. Since the smoke (solid component in combustion processes) in one certain actual measuring chimney has the same composition over a longer period of time and shows the same wave dependency, it is enough if before installing one Concentration measuring device on the chimney, a smoke sample (dust sample) was taken from it and the wavelength dependency according to the method according to the invention in FIG Circuit arrangement is examined. The coefficients then immediately determined kn can be written into the read-only memory and are then available during the ongoing actual measurement.
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.The invention is illustrated below, for example, with reference to the drawing described, the single figure is a schematic block-like representation of a shows the circuit arrangement according to the invention with the associated optical measuring device.
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.According to the drawing, an optical measuring device 12 is attached to a chimney 13 arranged, which through two diametrically opposite openings of the chimney 13 sends a parallel light beam 18 that passes through one on the other side The retroreflector 14 arranged in the chimney is reflected back to the measuring device 12 is where a suitably filtered photoreceiver receives the received signal at three different Detects wavelengths. If S02, N02 and smoke are to be measured, lie these wavelengths at 313, 436 and 546 nm. In detail, the structure of the optical Measuring device with the subsequent electronic evaluation stages in DE-PS 25 21 934.
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.The optical measuring device 12 supplies a computer 11 with the three Total extinction signals A1, A2 and A3 determined for measurement wavelengths. This calculates from the three total extinction values and six supplied by a read-only memory 15 Constants k1, k2, k3, k4, k5 and 6 three for the concentrations of S02, N02 and Rauch characteristic output signals E (S02), E (N02) and E (R). these can brought for example on numerical display instruments 19, 20 and 21 for display will.
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.For the sake of simplicity, the three are calculated for the Concentrations with characteristic initial values under the following conditions: 1. The dependence of the extinctions E (NO2) and E (R) on the NO2 or smoke concentration is linear.
2. Auf den Wellenlängen 313, 43und 546 nm absorbieren nur die Abgaskomponenten S02, N02 und Rauch. 2. Only the exhaust gas components absorb at wavelengths 313, 43 and 546 nm S02, N02 and smoke.
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.For the sake of simplicity, the output instruments show 19, 20 and 21 does not directly indicate the concentrations C1 (SO2), C2 (N02) or C3 (smoke) but functions that are defined as follows: E (S02) = E11. 1 . C1 (1) This is the absorbance caused by SO2 only on the 313 nm line.
E (N02) = E22 . 1 . C2 (2) Dies ist die Extinktion, die durch N02 auf der Linie 436 nm verursacht wird. E (N02) = E22. 1 . C2 (2) This is the absorbance given by N02 is caused on the line 436 nm.
E (R) = E33 . 1 . C3 (3) Dies ist die durch den Rauch auf der Linie 546 nm verursachte Extinktion. E (R) = E33. 1 . C3 (3) This is the one through the smoke on the line 546 nm caused absorbance.
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.However, these extinctions are practical because of the linear relationship with C1, C2 and C3 and the constant factors a measure of the three concentrations. The three display devices 19, 20, 21 are expediently calibrated directly in concentrations.
C. bedeutet die Konzentration des Gases bzw. Rauches. 1 ist die vom Lichtstrahl insgesamt durchlaufene Meßstreckenlänge.C. means the concentration of the gas or smoke. 1 is from Total length of the measuring path covered by the light beam.
E.. ist der spezifische Extinktionskoeffizient des Gases bzw.E .. is the specific extinction coefficient of the gas or
1J Rauches j bei der Wellenlänge i. 1J smoke j at wavelength i.
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).It can be shown that the three of the measuring instruments 19, 20, 21 initial values displayed with the total absorbances A. at the three wavelengths are related as follows: E (S02) = A1 + k1.A2 + k2. A3 (4) E (N02) = k3.A2 + k4. A3 (5) E (R) = k5.A2 + k6.A3 (6).
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.The coefficients ki of the measured three total extinctions A1 to A3 are called cross-sensitivity coefficients and are functions the specific smoke extinction coefficients E13 and E23. The specific gas extinction coefficients must be known and used as constant quantities.
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.For the example described, the following relationships result for the constants k1 to k6: -1 k5 = E22 - E23 (11) According to the drawing, the specific smoke extinction coefficients E13, E23 are each set to a potentiometer 22 or
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.23 adjustable. The set voltages are each via a Analog-to-digital converters 24, 25 are fed to processor 16. The processor 16 calculates from equations (7) to (11) the constants k1 to k6, with the crossbar to express that the six coefficients by adjusting the potentiometer 22, 23 are variable.
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.In the computer 11 the coefficients k1 to k6 with the total extinctions A1, A2 and A3 combined according to equations (4), (5) and (6), so that on the measuring instruments 19, 20 and 21 the output values E (SO2), E (N02) or E (R) appear.
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.Now the optical measuring device 12 is installed on a test chimney, in which a smoke sample filtered out of the smoke of the actual measuring chimney 13 (Dust sample) is whirled around. The gases S02 and N02 are not in the test chimney available, so that if the constants k1 to k6 are chosen correctly, the instruments 19, 20 should show zero.
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.In fact, however, the instruments 19, 20 show because of the cross-sensitivity a certain rash, because the extinction of the smoke depends on the wavelength. In particular, the experiment shows that the spectral course of the extinction in smoke samples of different fireplaces is different.
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.Now the potentiometers 22, 23 adjusted until the measuring instruments 19, 20 show the value zero. the Coefficients k1 to k6 now have the correct value and can be accessed via the Line 17 can be written into read-only memory 15. The read-only memory 15 is with the computer 11 and the optical measuring device 12 on the actual measuring chimney 13 installed, the constants determined once in the preliminary test as k1 up to k6 are always available. The processor 16 can after releasing the connections with the read-only memory 15 and the computer 11 for the calibration of another measuring device be used.
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.If in the actual measuring chimney with fluctuations in the wavelength dependency of the smoke must be expected, the test measurement can be repeated from time to time be collected by, for example, dust from the smoke and repeatedly according to the method according to the invention is used to correct the ki values.
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.You could also create a closed balancing control loop, in which the analog output voltage of the analyzer is used as the actual value. Likewise, a purely digital control loop could be set up analogously, by using the digital output variables of the analyzer as the actual value.
Grundsätzlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der Konzentrationsmessung von mehr als zwei Gasen und Rauch verwenden.In principle, the method according to the invention can also be used in the Use concentration measurement of more than two gases and smoke.
Das Verfahren läßt sich auch auf nichtlineare Gleichungssysteme anwenden, sofern die Querempfindlichkeits-Koeffizienten der bei einer Wellenlänge gemessenen Gesamtextinktionen eindeutig sind.The procedure can also be applied to non-linear systems of equations, provided the cross-sensitivity coefficients of the measured at a wavelength Total absorbances are clear.
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.The method according to the invention can also be used alone on the measuring chimney be when the concentration of smoke and gases of interest by others Method can be determined with sufficient accuracy. The unknown Extinction coefficients Eij are then also changed here until the known Absorbances or concentrations are displayed.
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.Furthermore, the method according to the invention can also be used for the Adjustment of the coefficients in analyzers to determine the concentration of liquid or solid substances are used. The test section is in this case no chimney, but e.g. a cuvette.
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.The ones shown in the drawing are also used for the coefficient adjustment required functional units 16, 22, 23, 24, 25 or the corresponding functional units in closed balancing control loops can be permanently arranged in the optical measuring device in particular, the computer 11 and the processor 16 can be in one functional unit be summarized.
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.Instead of the coefficients EiX, ratios of Eij of one and the same material component can also be varied. The equation coefficients k. are calculated accordingly in the above example with three material components as follows: It should be noted that often only the ratios of the extinction coefficients Eij of a material component are determined as pure numbers, not their absolute values with a physical dimension. It is therefore advisable to set an extinction coefficient for each substance component equal to 1.
Bei Verwendung von Multiplikatoren kann der Wertumfang der Extinktionskoeffizienten Eij den Verhältnissen beider gemessenen Stoffkomponenten angepaßt werden.When using multipliers, the range of values for the extinction coefficients Eij can be adapted to the ratios of the two measured substance components.
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