DE19643981A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Konzentration eines Stoffes in einem gasförmigen Medium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Konzen­ tration eines Stoffes in einem gasförmigen Medium gemäß Ober­ begriff des Anspruchs 1 sowie eine hierzu geeignete Vorrich­ tung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 11.

Chemische bzw. elektrochemische Sensoren zum Ermitteln der Konzentration von Stoffen in gasförmigen Medien besitzen einen sogenannten nominellen Meßbereich, in welchem die Messung mit definierter Genauigkeit möglich ist. Außerhalb des nominellen Meßbereichs arbeiten die Sensoren nur ungenau, auch besteht bei extremen Abweichungen vom nominellen Meßbereich die Gefahr von Beschädigungen.

Derartige Sensoren sind somit zunächst lediglich für solche Konzentrationsmessungen an gasförmigen Medien nur dann ge­ eignet, wenn die zu erwartende Konzentration des zu messenden Stoffes innerhalb des nominellen Meßbereichs zu erwarten ist. Für eine Vielzahl von Anwendungen reicht der nominelle Meß­ bereich nicht aus, da die zu erwartenden Konzentrationswerte eine weitaus größere Bandbreite aufweisen können.

Zur Lösung dieser Problematik ist beispielsweise aus der DE 44 07 345 A1, von der die Erfindung ausgeht, bekannt, den che­ mischen Sensoren einen Meßgasstrom zuzuführen, der soweit verdünnt ist, daß die Konzentration des betreffenden Stoffes im nominellen Meßbereich des Sensors liegt. Durch Rückrechnen kann damit der aktuelle Wert der Konzentration des Stoffes im gasförmigen Medium bestimmt werden.

Konkret wird deshalb zunächst aus dem gasförmigen Medium ein Probengasstrom entnommen und in einer Mischeinrichtung mit einem Verdünnungsstrom, insbesondere einem aus der Umgebung gewonnenen Luftstrom, zu einem Meßgasstrom vermischt. Das Verdünnungsverhältnis kann hierbei durch Variation der Anteile von Probengasstrom und Verdünnungsgasstrom verändert und auf einem bestimmten Wert eingestellt werden. Der so gewonnene Meßgasstrom wird an den chemischen Sensor geleitet, welcher ein Detektionssignal als Maß für die Konzentration des Stoffes erzeugt. Sofern die detektierte Konzentration außerhalb des nominellen Meßbereichs liegt, wird durch Nachregulieren des Verdünnungsverhältnisses die Konzentration im Probengasstrom nachgeführt. Die Konzentration des Stoffes im gasförmigen Medium wird nunmehr durch Auswertung des Detektionssignals unter Berücksichtigung des Verdünnungsverhältnisses errechnet.

In diesem Zusammenhang kommt der möglichst exakten Kenntnis des Verdünnungsverhältnisses besondere Bedeutung zu, da dieses unmittelbar die Genauigkeit des Meßergebnisses bestimmt. Es wird zu diesem Zweck die Konzentration einer (weiteren) Stoff­ komponente vor und nach der Verdünnung gemessen und daraus das Verdünnungsverhältnis bestimmt. Voraussetzung hierfür ist, daß diese (weitere) Stoffkomponente in einer der beiden Positio­ nen, d. h. vor oder nach dem Vermischen bekannt und konstant ist. Eine der als bevorzugt wiedergegebenen Lösungsmöglich­ keiten besteht darin, als Verdünnungsgasstrom einen Luftgas­ strom zu verwenden, der aus der Umgebung abgezogen wird. Als bekannte und in konstanter Größe vorliegende Stoffkomponente vor dem Vermischen mit dem Probengasstrom kann beispielsweise Sauerstoff herangezogen werden. Aus dem Verhältnis der Sauer­ stoffkonzentration vor und nach dem Vermischen kann das Ver­ dünnungsverhältnis zuverlässig bestimmt werden.

Nachteilig hierbei ist der vergleichsweise hohe Aufwand zur Ermittlung des Verdünnungsverhältnisses. So ist es erforder­ lich, einen zusätzlichen Sensor vorzusehen und insbesondere dessen Detektionssignal auszuwerten. Der damit verbundene Softwareaufwand ist nicht unerheblich, insbesondere als im Falle von dynamischen Vorgängen, d. h. Schwankungen der Kon­ zentration des zu messenden Stoffes, das Verdünnungsverhältnis nachgeregelt werden muß.

Der Erfindung lag daher das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Konzentration eines Stoffes in einem gasförmigen Medium der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, bei dem die geschilderten Nachteile ver­ mieden werden. Insbesondere soll die Einhaltung des nominellen Meßbereichs des chemischen Sensors auch bei Konzentrations­ werten des Stoffes des gasförmigen Mediums außerhalb dieses nominellen Bereichs mit möglichst einfachen konstruktiven Mitteln und mit möglichst geringem Softwareaufwand realisiert werden.

Gelöst wird dieses Problem mit einem Verfahren, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Verfahrens­ varianten sind durch die nachgeordneten Unteransprüche de­ finiert.

Das Problem wird weiterhin durch eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gelöst, welche durch die Merkmale des Anspruchs 11 angegeben ist. Vorteilhafte Aus­ führungsformen der Vorrichtung sind durch die nachgeordneten Unteransprüche angegeben.

Die Erfindung basiert auf der Idee, den Probengasstrom und den Verdünnungsgasstrom abwechselnd hintereinander zeitgetaktet zuzuführen und das Verdünnungsverhältnis aus dem Zeittakt­ verhältnis zu berechnen. Voraussetzung hierfür ist, daß der Probengasstrom und der Verdünnungsgasstrom mit jeweils de­ finiertem Volumenstrom gefördert werden. Der Vorteil liegt darin, daß zur Bestimmung des Verdünnungsverhältnisses kein spezieller Sensor erforderlich ist. Das Zeittaktverhältnis läßt sich problemlos aus dem Quotienten derjenigen Zeitanteile bestimmen, die auf die Zuführung des Probengasstroms einer­ seits und des Verdünnungsgasstroms andererseits entfallen. Die Zeitmessung als solche ist trivial und kann in der Regel mit Hilfe eines von einer Mikroprozessoreinheit gesteuerten Timer­ bausteins erfolgen.

Besonders einfach gestaltet sich das Berechnen des Verdün­ nungsverhältnisses dann, wenn die Volumenströme des Proben­ gasstromes und des Verdünnungsgasstromes den selben Wert auf­ weisen. In diesem Fall entspricht das Zeittaktverhältnis be­ reits unmittelbar dem Verdünnungsverhältnis. Der Rechen- bzw. Softwareaufwand ist hierbei äußerst gering.

Vorteilhafterweise werden der Probengasstrom und der Verdün­ nungsgasstrom über ein Mischventil zugeführt, wobei ein be­ sonders einfacher konstruktiver Aufbau durch die Verwendung eines 3/2-Wege-Ventils möglich wird, welches durch Hin- und Herschalten abwechselnd den Probengasstrom und den Volumen­ gasstrom freigibt. Die Steuereinrichtung braucht in diesem Falle lediglich einen Umschaltimpuls zeitgetaktet vorgeben, um das gewünschte Verdünnungsverhältnis einzustellen. Ebenso ist es möglich, anstelle des 3/2-Wege-Ventils zwei parallelge­ schaltete 2/2-Wege-Ventile zu verwenden.

Bevorzugt wird das Mischventil von einer zentralen Steuerein­ richtung betätigt, die das Detektionssignal des chemischen Sensors auswertet und unmittelbar hieraus das erforderliche Zeittaktverhältnis bestimmt, welches zur Einhaltung des nomi­ nellen Meßbereichs erforderlich ist. Somit ist eine schnelle Ermittlung der Konzentration des Stoffes im gasförmigen Medium möglich.

Grundsätzlich ist damit das erfindungsgemäße Verfahren auch als dynamisches Meßverfahren auszulegen, bei dem das Verdün­ nungsverhältnis fortlaufend nachreguliert wird. Schwankungen der Konzentration des zu ermittelnden Stoffes werden durch kontinuierliche Anpassung des Verdünnungsverhältnisses soweit kompensiert, daß der Meßgasstrom stets eine Konzentration im nominellen Meßbereich des chemischen Sensors besitzt.

Im Extremfall ist es möglich, die Konzentration im Meßgasstrom praktisch konstant - und damit am optimalen Meßwert des Sen­ sors - zu halten, so daß das Zeittaktverhältnis direkt propor­ tional zur Ausgangskonzentration des Stoffes im gasförmigen Medium ist. Die Genauigkeit des Meßergebnisses hängt damit primär von der Genauigkeit der Zeitmessung ab, die in der Praxis keinerlei Probleme bereitet.

Als Verdünnungsgasstrom hat sich der Einsatz eines Luftstromes als vorteilhaft erwiesen, der unmittelbar aus der Umgebung gewonnen werden kann. In der Regel kann die Luft unmittelbar aus der Umgebung abgezogen und gegebenenfalls über ein Luft­ filter unmittelbar der Mischeinrichtung zugeführt werden.

Ebenso ist es möglich, als Verdünnungsgasströme andere Gas­ ströme, beispielsweise solche aus Flaschen, zu verwenden. Besonders geeignet erweist sich Stickstoff. Durch geeignete Maßnahmen, wie z. B. Pumpe mit Bypass, Druckregler mit Bypass, muß sichergestellt sein, daß der Verdünnungsgasstrom dem Mischventil drucklos zugeführt wird.

Eine erfindungsgemäße Weiterbildung sieht vor, daß mehrere chemische Sensoren zur Detektion mehrerer Stoffe des gasförmi­ gen Mediums vorgesehen sind. Die Einstellung des Verdünnungs­ verhältnisses erfolgt in diesem Fall nach Maßgabe des Detek­ tionssignals desjenigen chemischen Sensors, von dessen nomi­ nellen Meßbereich voraussichtlich zu Beginn der Messung am weitesten abgewichen wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß der am stärksten gefährdete chemische Sensor sicher geschützt wird.

Bevorzugt kann ausgehend vom Detektionssignal einer oder meh­ rerer vorangegangener Messungen das voraussichtlich zu erwar­ tende Detektionssignal der nunmehr anstehenden Messung be­ stimmt und hiernach das Verdünnungsverhältnis durch Gradien­ tenbildung eingestellt werden. Durch diese Vorabschätzung des zu erwartenden Detektionssignals kann eine schnellere Nach­ regulierung in der Weise erfolgen, daß der Meßwert innerhalb des nominellen Meßbereichs liegt. In vielen Fällen kann damit auf das Nachregulieren verzichtet werden, da das aktuelle Detektionssignal bereits mit dem nominellen Meßbereich des Sensors korreliert.

Bei fortlaufenden Messungen kann das Verdünnungsverhältnis schrittweise verändert werden, nämlich dann, wenn der nominel­ le Meßbereich überschritten wird. Andererseits besteht die Möglichkeit einer kontinuierlichen, quasi stufenlosen Ver­ änderung des Verdünnungsverhältnisses, so daß der Meßwert in einem relativ engen Intervall des nominellen Meßbereichs bzw. im Meßwertoptimum gehalten werden kann.

Das erfindungsgemäß Verfahren einer dynamischen Verdünnung eines von einem gasförmigen Medium gezogenen Probenstroms zur Einhaltung des nominellen Meßbereichs chemischer Sensoren verwendet elektrische Detektionssignale dieser Sensoren, um festzustellen, ob der nominelle Meßbereich eingehalten wird. Liegt das Detektionssignal außerhalb des nominellen Meßbe­ reichs (als Teilbereich eines gesamten Meßbereichs), so wird das Verdünnungsverhältnis verändert. Das Verdünnungsverhältnis wird hierbei über durch zeitgetaktetes und abwechselnd aufein­ anderfolgendes Zuführen von Probengasstrom und Verdünnungs­ gasstrom bewerkstelligt.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung weist folgende Hauptkomponenten auf:

• a) Eine Einrichtung zum Entnehmen des Probengasstroms,
• b) eine Verdünnungseinrichtung zum Verdünnen des Probengas­ stroms mit einem Verdünnungsgasstrom, in der der Probengas­ strom und der Verdünnungsgasstrom über ein Mischventil zeitge­ taktet abwechselnd einer Mischeinrichtung zugeführt und dort zu einem Meßgasstrom vermischt werden,
• c) wenigstens einem chemischen Sensor zum Erzeugen eines De­ tektionssignals als Maß für die Konzentration des Stoffes im Meßgasstrom, und
• d) eine Steuereinrichtung, um nach Maßgabe der detektierten Konzentration das Verdünnungsverhältnis durch Vorgabe des Zeittaktes derart nachzuregulieren, daß die Konzentration des Stoffes im Meßgasstrom im nominellen Meßbereich des chemischen Sensors gehalten wird.

Diese Vorrichtung zeichnet sich durch einen konstruktiv ein­ fachen Aufbau aus, auch gestaltet sich die Einstellung des Verdünnungsverhältnisses bzw. deren Nachführung äußerst ein­ fach.

Vorteilhafterweise ist die Mischeinrichtung als Mischkammer mit integrierten Turbulenzerzeugern ausgeführt, um eine mög­ lichst intensive homogene Durchmischung des Probengasstroms und des Verdünnungsgasstroms sicherzustellen. Dies ist im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung besonders von Bedeu­ tung, da die Teilgasströme abwechselnd der Mischkammer zu­ geführt werden. Als Turbulenzerzeuger eignen sich beispiels­ weise Düsen, Kapillaren oder sogenannte statische Mischer, die durch Erzeugung starker Turbulenzen eine innige Vermischung auf relativ kleinem Volumen ermöglichen.

Bevorzugt ist ein Bypass zur Umgehung der Verdünnungseinrich­ tung vorgesehen, über den der gezogene Probengasstrom unmit­ telbar den chemischen Sensoren zugeführt wird. Eine solche Variante bietet sich dann an, wenn aufgrund der zu erwartenden Konzentrationswerte die chemischen Sensoren im nominellen Meßbereich betrieben werden können und nur im Einzelfall eine Verdünnung wegen Meßwertüberschreitung nötig wird.

Von Vorteil kann unmittelbar vor dem Mischventil eine Vorkam­ mer vorgeschaltet sein, die als eine Art Puffer dient und Schwankungen im Zuführbereich des Probengasstroms ausgleichen kann.

Schließlich ist eine Förderpumpe für den Meßgasstrom von Vor­ teil, welche der Mischkammer nachgeschaltet ist. In Abhängig­ keit der augenblicklichen Stellung des Mischventils fördert diese entweder Probengas oder Verdünnungsgas. Die gewählte Anordnung hinter der Mischkammer stellt sicher, daß der Meß­ gasstrom in gleichmäßiger Durchmischung von der Pumpe ange­ saugt und den Sensoren zugeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend näher anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipschaltbild zur Durchführung des Verfahrens und

Fig. 2 Prinzipschaltbild einer hierzu geeigneten Vorrich­ tung.

Die grundsätzliche Verfahrensführung ergibt sich aus Fig. 1. Ein zu untersuchendes gasförmiges Medium 100, beispielsweise Abgas einer Feuerungsanlage, soll hinsichtlich des Gehalts (Konzentration) bestimmter Stoffe untersucht werden. Hierfür sind chemische Sensoren 20 vorgesehen, deren Detektionssignale 22 einer zentralen Steuereinrichtung 24 zugeführt werden, in welcher diese ausgewertet und beispielsweise angezeigt, ge­ speichert oder weiterverarbeitet werden. Die chemischen Senso­ ren 20 haben jeweils einen spezifischen, nominellen Meßbereich für die Konzentration des zu untersuchenden Stoffes, der mit einem nominellen Wertebereich des Detektionssignals 22 korre­ liert.

Dem gasförmigen Medium 100 wird ein Probengasstrom 1 entnom­ men. Hierzu ist eine Förderpumpe 10 vorhanden, die den Pro­ bengasstrom 1 kontinuierlich und mit einem bestimmten Volumen­ strom fördert, welcher unter allen Betriebszuständen stets konstant ist. Der Probengasstrom 1 wird über ein Mischventil 30 einer Mischkammer 16 zugeführt. Das Mischventil 30 ist ein getaktetes 3/2-Wege-Ventil, welches von der Steuereinrichtung 24 durch ein Steuersignal 26 betätigt wird.

Über das Mischventil 30 wird weiterhin ein Verdünnungsgasstrom 2 der Mischkammer 16 zugeführt, in der durch hier nicht näher dargestellte Turbulenzerzeuger eine intensive Vermischung mit dem Probengasstrom 1 zu einem Meßgasstrom 3 erfolgt. Der Meß­ gasstrom 3 wird mit der Förderpumpe 12 mit einem definierten und konstant gehaltenen Volumenstrom über eine Kapillare 18 den chemischen Sensoren 20 zugeführt. Die chemischen Sensoren 20 erfassen damit die Konzentration der betreffenden Stoffe im (verdünnten) Meßgasstrom 3, die in Abhängigkeit des Verdün­ nungsverhältnisses eine Rückrechnung auf die im gasförmigen Medium 100 vorhandene (wahre) Konzentration rückgerechnet werden müssen.

Das Mischventil 30 schaltet getaktet zwischen dem Probengass­ trom 1 und dem Verdünnungsgasstrom 2 abwechselnd hin und her, so daß im (hier nicht näher bezeichneten) Leitungsabschnitt zwischen dem Mischventil 30 und der Mischkammer 16 jeweils aufeinanderfolgend Teilvolumina ("Pakete") des Probengasstroms 1 und des Verdünnungsgasstroms 2 vorhanden sind. Da das Misch­ ventil 30 lediglich zwei Schaltzustände kennt, wird entweder der Pfad für den Probengasstrom 1 oder derjenige für den Ver­ dünnungsgasstrom 2 freigegeben. Solange das Mischventil 30 den Pfad für den Probengasstrom 1 freigibt, ist der Pfad für den Verdünnungsgasstrom 2 geschlossen. Beim Umschalten des Misch­ ventils 30 wird der Pfad für den Probengasstrom 1 geschlossen und gleichzeitig derjenige für den Verdünnungsgasstrom 2 frei­ gegeben. Der Verdünnungsgasstrom 2 entsteht dadurch, daß die Förderpumpe 12 über die Mischkammer 16 und das Mischventil 30 Luft aus der Umgebung ansaugt.

Da während der Dauer dieses Schaltzustandes die Förderpumpe 10 weiterhin Probengas fördert, ist in Strömungsrichtung betrach­ tet vor dem Mischventil 30 eine Verzweigung 14 vorhanden, über die der Probengasstrom 1 als Bypassstrom 4 beispielsweise zum gasförmigen Medium 100 im Abströmbereich (Auspuff) zurückge­ leitet wird. In diesem Fall entspricht der Volumenstrom des Probengasstroms 1 dem Volumenstroms des Bypassstroms 4.

Sobald das Mischventil 30 erneut die Leitung für den Proben­ gasstrom 1 freischaltet wird der Probengasstrom der Misch­ kammer 16 zugeführt, und zwar mit einem Volumenstrom, der im durch die Förderpumpe 12 vorgegeben ist. Da dieser Volumen­ strom kleiner ist als der durch die Förderpumpe 10 geförderte Probengasstrom 1 entweicht ein Teil des Probengases weiterhin in Form eines Bypassstromes 4.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß das Verdünnungsverhält­ nis, d. h. das Verhältnis aus dem Volumenstrom des Probegass­ troms 1 zum Volumenstrom des Verdünnungsgasstroms 2 durch Variation des Zeittaktverhältnisses eingestellt werden kann, mit welchem das Mischventil 30 hin- und hergeschaltet wird. Da die hierfür erforderlichen Steuersignale 26 von der zentralen Steuereinrichtung 24 erzeugt werden, kann auf einfache Art und Weise durch Auswertung der Detektionssignale 22 sofort nach­ geregelt werden, wenn die Detektionssignale 22 nicht innerhalb des vorgesehenen Wertebereichs liegen sollten. Durch diese einfache Maßnahme ist sichergestellt, daß durch Variation des Verdünnungsverhältnisses die chemischen Sensoren stets in ihrem nominellen Meßbereich betrieben werden. Die Konzeption erlaubt insbesondere auch eine fortwährende (dynamische) Er­ fassung der Konzentration der Stoffe, auch wenn die Meßwerte sehr starken zeitlichen Schwankungen unterworfen sein sollten.

Sofern - wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel realisiert - die Volumenströme des Probengasstroms 1 und Verdünnungsgass­ troms 2 in Übereinstimmung sind, kann unmittelbar aus dem Zeittaktverhältnis und dem im Meßgasstrom 3 ermittelten Kon­ zentrationswert des Stoffes auf den im gasförmigen Medium 100 vorliegenden (wahren) Konzentrationswert umgerechnet werden. Wird beispielsweise das Mischventil 30 im Verhältnis 1/10 Sekunde zu 9/10 Sekunde zwischen dem Probengasstrom 1 und dem Verdünnungsgasstrom 2 hin und hergeschaltet, ergibt dies einen Meßgasstrom 3 mit einem Verdünnungsverhältnis von 1 zu 10. Der durch die chemischen Sensoren 20 detektierten Werte der Kon­ zentration brauchen somit lediglich mit dem Faktor 10 multi­ pliziert werden, um die tatsächlich vorherrschende Konzen­ tration zu bestimmen. Der effektive Meßbereich wurde in diesem Fall um den Faktor 10 erhöht.

Die Steuereinrichtung 24 kann beispielsweise derart program­ miert sein, daß das Zeittaktverhältnis in vorgegebenen Stufen immer dann verändert wird, wenn das aktuelle Detektionssignal 22 den vorgegebenen Wertebereich zu verlassen droht. Zweck­ mäßig in diesem Zusammenhang ist jeweils eine Verdoppelung des Zeittaktverhältnisses, so daß sich Verdünnungsschritte in dualer Reihenfolge ergeben.

Ebenso ist es möglich, die Veränderung des Verdünnungsverhält­ nisses stufenlos durchzuführen, wodurch es letztendlich mög­ lich ist, den Meßwert stets auf einem bestimmten, vorgegebenen Optimalwert zu halten, um die aktuelle (wahre) Konzentration des Stoffes ausschließlich mit dem (sich kontinuierlich ver­ ändernden) Verdünnungsverhältnis zu korrelieren. Hierzu ist allerdings ein vergleichsweise hoher rechnerischer Aufwand nötig, um Totzeiten im Gasweg und Verzögerungszeiten der Sen­ soren zu berücksichtigen.

Die in Fig. 2 dargestellte Konfiguration baut auf der Aus­ gangskonfiguration gemäß Fig. 1 unmittelbar auf. Neben der höheren Zahl von chemischen Sensoren 20, die in zwei parallel geschaltete Pfade aufgespalten sind, fällt insbesondere eine Bypassleitung 36 auf, die sämtliche Komponenten umgeht, die die Verdünnung des Probengasstroms 1 bewerkstelligen. Die Bypassleitung 36 zweigt an der Verzweigung 14 ab und wird hinter der Förderpumpe 12 und vor den Kapillaren 18 rückge­ führt. Sie ermöglicht damit weiterhin den sogenannten Normal­ betrieb, bei dem der Probengasstrom 1 unverdünnt den chemi­ schen Sensoren 20 zugeführt wird. Zusätzlich ist in die By­ passleitung 36 ein Ventil 32 eingeschaltet, welches als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt ist und je nach Schaltstellung die Bypassleitung 36 durchschaltet oder diese unter Freigabe eines zum Auspuff führenden Pfades unterbricht.

Weiterhin ist ein Ventil 34 am Rückführpunkt der Bypassleitung 36 vorgesehen, welches alternativ den Pfad über die Bypass­ leitung 36 oder den Pfad für den Meßgasstrom 3 freigibt.

Im Normalbetrieb sind die Ventile 32, 34 (und auch das Misch­ ventil 30) in Ruhestellung, so daß der Probengasstrom 1 den Pfad über die Bypassleitung 36 nimmt. Der Probengasstrom 1 wird durch die Förderpumpe 10 aufrecht erhalten. Die Förder­ pumpe 12 ist abgeschaltet.

Für den Verdünnungsbetrieb sind die Ventile 32, 34 durchge­ schaltet (bestromt). Die Förderpumpe 10 fördert Probengas in eine als Puffer wirkende Vorkammer 15, und von dort über das getaktete Mischventil 30 in die Mischkammer 16. Überschüssiges Probengas kann nach wie vor über die Verzweigung 14 und das durchgeschaltete Ventil 32 zum Auspuff abgeblasen werden. Weiterhin wird durch die Förderpumpe 12 Verdünnungsgasstrom über das getaktete Mischventil 30 angesaugt und ebenfalls der Mischkammer 16 zugeführt. Diese Betriebsart stimmt damit mit der eingangs beschriebenen Verfahrensführung überein.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß sich der sogenann­ te Normalbetrieb, bei dem der Probengasstrom 1 nicht verdünnt wird, grundsätzlich auch mit der Konfiguration gemäß Fig. 1 realisieren läßt. Hierzu ist das Mischventil 30 konstant auf den Pfad des Probengasstroms 1 durchgeschaltet.

Aufgrund der hohen Meßgenauigkeit eignet sich die Erfindung nicht nur zur Messung der Zusammensetzung eines hochkonzen­ trierten Abgases durch Verdünnung, sondern kann auch dazu eingesetzt werden, hochkonzentriertes Prüfgas bekannter Zu­ sammensetzung definiert zu verdünnen, um hierdurch die Kali­ brierung von Meßeinrichtungen anhand einer Meßreihe unter­ schiedlicher Konzentration durchzuführen.

Bezugszeichenliste

1

Probengasstrom

2

Verdünnungsgasstrom

3

Meßgasstrom

4

Bypassstrom

10

Förderpumpe

12

Förderpumpe

13

Kapillare

14

Verzweigung

15

Vorkammer

16

Mischkammer

18

Kapillare

20

chemischer Sensor

22

Detektionssignal

24

Steuereinrichtung

26

Steuersignal

30

Mischventil

32

Ventil

34

Ventil

36

Bypassleitung

100

gasförmiges Medium

Claims (15)

1. Verfahren zum Ermitteln der Konzentration eines Stoffes in einem gasförmigen Medium mit einem chemischen Sensor, der einen nominellen Meßbereich für die Konzentration des Stoffes aufweist, durch

• a) Entnehmen eines Probengasstroms aus dem gasförmigen Medi­ um,
• b) Vermischen des Probengasstroms mit einem Verdünnungsgass­ trom in einer Mischeinrichtung zu einem Meßgasstrom in einem einstellbaren Verdünnungsverhältnis,
• c) Zuführen des Meßgasstroms an den chemischen Sensor zum Erzeugen eines Detektionssignals,
• d) Nachregulieren des Verdünnungsverhältnisses derart, daß die vom chemischen Sensor detektierte Konzentration des Stoffes im nominellen Meßbereich gehalten wird,
  dadurch gekennzeichnet,
  daß der Probengasstrom (1) und der Verdünnungsgasstrom (2) jeweils abwechselnd hintereinander mit definiertem Volu­ menstrom zeitgetaktet der Mischeinrichtung (16) zugeführt worden, und
  daß das Verdünnungsverhältnis auf der Basis des Zeittakt­ verhältnisses berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenströme des Probengasstromes (1) und des Verdünnungs­ gasstromes (2) einen übereinstimmenden Wert aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Probengasstrom (1) und der Verdünnungsgasstrom (2) über ein vor der Mischeinrichtung (16) angeordnetes Misch­ ventil, vorzugsweise in Form eines 3/2-Wege-Ventils (30), zugeführt werden, das abwechselnd den Probengasstrom (1) und den Verdünnungsgasstrom (2) freigibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischventil (30) von einer zentralen Steuereinrichtung (24) betätigt wird, die das Zeittaktverhältnis in Abhängigkeit des Detektionssignals (22) vorgibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdünnungsverhältnis fortlaufend nachreguliert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdünnungsgasstrom (2) ein aus der Umgebung gewonnener Luftstrom oder ein aus Flaschen oder dergleichen gewonnener Gasstrom verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn das Verdünnungsverhältnis so groß eingestellt wird, daß der chemische Sensor (20) sicher in seinem nominellen Meßbereich arbeitet.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere chemische Sensoren (20) zur Detek­ tion mehrerer unterschiedlicher Stoffe vorgesehen sind und eine Regelung des Verdünnungsverhältnisses nach Maßgabe des Detektionssignales (22) desjenigen chemischen Sensors (20) erfolgt, von dessen nominellen Meßbereich zu Beginn am weite­ sten abgewichen wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend vom Detektionssignal (22) des chemischen Sensors (20) einer vorangegangenen Messung das voraussichtlich zu erwartende Detektionssignal (22) der fol­ genden Messung bestimmt und davon ausgehend das Verdünnungs­ verhältnis durch Gradientenbildung eingestellt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionssignal (22) des chemischen Sensors (20) in einem vorbestimmten Intervall des nominellen Meßbereiches durch schrittweise oder stufenlose Veränderung des Verdünnungsverhältnisses gehalten wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch

• a) eine Einrichtung zum Entnehmen des Probengasstromes (1)
• b) eine Verdünnungseinrichtung zum Verdünnen des Probengas­ stroms (1) mit einem Verdünnungsgasstrom (2), in der der Probengasstrom (1) und der Verdünnungsgasstrom (2) über ein Mischventil (30), vorzugsweise in Form eines 3/2-Wege-Ventils, zeitgetaktet abwechselnd einer Mischein­ richtung (16) zugeführt und dort zu einem Meßgasstrom (3) vermischt werden,
• c) wenigstens einen chemischen Sensor (20) zum Erzeugen eines Detektionssignals (22) als Maß für die Konzentra­ tion des Stoffes im Meßgasstrom (3), und
• d) eine Steuereinrichtung (24), um nach Maßgabe der detek­ tierten Konzentration das Verdünnungsverhältnis durch Vorgabe des Zeittaktes derart nachzuregulieren, daß die Konzentration des Stoffes im Meßgasstrom (3) im nominel­ len Meßbereich des chemischen Sensors (20) gehalten wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung (24) als Mischkammer mit integrierten Turbulenzerzeugern, wie beispielsweise Düsen, Kapillaren oder statischen Mischern, ausgeführt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 gekennzeichnet durch einen schaltbaren Bypass zur Umgehung der Verdünnungseinrich­ tung.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekenn­ zeichnet durch eine dem Mischventil (30) vorgeschaltete Vor­ kammer (15).

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekenn­ zeichnet durch eine der Mischkammer (16) nachgeschaltete För­ derpumpe (12) für den Meßgasstrom.