DE19749891B4

DE19749891B4 - Verfahren zur Messung der Konzentration eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19749891B4
Application number: DE19749891A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dittrich; Fritz Lebkücher
Original assignee: Individual
Current assignee: J Dittrich Elektronic & Co Kg 76532 Ba De GmbH
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1997-11-12
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2017-11-13
Also published as: DE19749891A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Konzentration eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft, mittels eines Infrarot Sensors (1), der ein oszillierendes Meßsignal erzeugt, wobei dem Meßsignal ein ebenfalls oszillierendes Referenzsignal zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
– daß bei einer vorgebbaren Signalamplitude eine Triggerschwelle (20, 21) gesetzt wird,
– daß das Zeitintervall zwischen dem Überschreiten der Triggerschwelle (20, 21) von dem Meßsignal (18) und dem Überschreiten der Triggerschwelle (20, 21) von dem Referenzsignal (17) gemessen wird und
– daß das Zeitintervall in eine Konzentration des Gases umgerechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Konzentration eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft, mittels eines Infrarot Sensors, der ein oszillierendes Meßsignal erzeugt, wobei dem Meßsignal ein ebenfalls oszillierendes Referenzsignal zugeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11, wie aus DE 37 11 022 A1 bekannt.

Generell sind Sensoren zur Bestimmung von Gaskomponenten in großer Vielfalt bekann. Beispielsweise zeigt DE 32 18 102 A1 einen solchen Sensor, der eine parallele Vergleichsmessung mit zwei Detektoren durchführt, wobei eine Differenz der Strom-Ausgangssignale der Detektoren gebildet und über eine Zeit integriert wird. Diese Art der Messung ist aufwendig und relativ ungenau. Einen im Hinblick auf das Messprinzip ähnlichen Sensor, der im Bereich des Infraroten operiert, zeigt DE 35 24 368 A1 , wobei dieser dieselben Nachteile aufweist. Auch US 5,063,275 zeigt eine recht aufwendige Vorrichtung zur Analyse von Gasbestandteilen, bei der in einer das Absorptionsverhalten zweier parallel geschalteter Detektoren zwei unterschiedliche Wellenlängen der Strahlungsquelle verglichen werden, wobei aus dem Vergleich auf die Konzentration eines Gases, beispielsweise CO₂ in Atemluft geschlossen wird.

Es sind weiterhin Infrarot Sensoren bekannt, bei denen in einer Meßkammer zwei im Infrarotbereich empfindliche Detektoren angeordnet sind, deren Meßfläche von unterschiedlichen Filtern überdeckt ist. Im Sensor ist eine Lichtquelle angeordnet, die mit einer Frequenz von einigen Hertz an- und ausgeschaltet wird und deren Licht die Meßkammer mit dem zu messenden Gas durchdringt, bevor es auf die Detektoren trifft. Dabei bildet das Ausgangssignal (Referenzsignal) des einen, mit einem im Wellenlängenbereich von etwa 3000 nm bis 4000 nm durchlässigen Filter bedeckten Detektor die Referenz für das Ausgangssignal (Meßsignal) des anderen, mit einem im Absorptionsspektrum des zu messenden Gases durchlässigen Filter bedeckten Detektors. Zur Umwandlung des mit der Frequenz der Lichtquelle oszillierenden Meßsignals in die Gaskonzentration sind zwei Verfahren bekannt.

In einem „analogen" Verfahren werden das Meß- und das Referenzsignal zunächst mittels einer Gleichrichterschaltung mit einer Diode und einem Kondensator in eine Gleichspannung umgewandelt. Der Unterschied der beiden gleichgerichteten Ausgangsspannungen (Ausgangssignale) ist ein direktes Maß für die Gaskonzentration. Nachteilig an dem analogen Verfahren ist, daß um zu stabilen Ausgangsignalen zu gelangen Kondensatoren mit erheblichen Kapazitäten von mehreren μF notwendig sind. Derartige Kondensatoren bedingen einen im Vergleich zum übrigen Sensor großen Bauraum. Weiterhin ist es bei dem analogen Verfahren nötig über viele Oszillationen zu mitteln, um zu möglichst kleinen Meßfehlern zu gelangen. Eine Messung kurzzeitiger Konzentrationsänderungen des zu messenden Gases ist somit unmöglich. Ein weiterer Nachteil des analogen Verfahrens ist, daß die Kennlinie des Sensors wegen der logarithmischen Abhängigkeit von Referenz- und Meßsignal nicht linear ist.

In einem alternativen "digitalen" Verfahren werden das Referenz- und das Meßsignal von einem hochauflösenden Analog/Digital Wandler (ADC) in digitale Werte umgewandelt und einem Rechner zugeführt, der die Maxima oder Minima beider Signale vergleicht und in eine Gaskonzentration umrechnet. Um die Maxima zu finden werden auch sog. "peak hold" Module eingesetzt. Nachteil der digitalen Methode ist, daß sie wegen der hochauflösenden elektronischen Bauteile hohe Kosten verursacht und einen großen Bauaufwand bedingt. Dabei ist auch bei der digitalen Methode eine Mittelung über mehrere Oszillationen nötig, um die Messung zu stabilisieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, das bei geringem elektronischen Bauaufwand eine zeitlich hochauflösende mit geringem Fehler behaftete Messung der Konzentration eines im Infrarot Bereich absorbierenden Gases erlaubt. Gleichzeitig ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.

Die besondere Idee der Erfindung ist die Zeitmessung, die sich im Vergleich zur bisherigen Spannungs- bzw. Strommessung mit einfachen Mitteln besonders einfach und genau durchführen läßt.

Besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß es zur Auswertung der Ausgangssignale der geläufigen Infrarot Sensoren eingesetzt werden kann. Dabei ist die durch das Verfahren erreichbare zeitliche Auflösung um ein Vielfaches besser, als die bekannter Verfahren. So ist es möglich, auch kurzzeitige Änderungen der Konzentration, d.h. Änderungen im Bereich von Sekundenbruchteilen, aufzulösen. Die mit dem Verfahren mögliche Auflösung wird lediglich durch die Frequenz der Infrarot-Strahlungsquelle (Lichtquelle) und die Frequenz des Pulsgenerators begrenzt und könnte bei Verbesserung der Eigenschaften des Sensors erhöht werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die zur Auswertung der Messung benötigten Komponenten (Komparatoren und Microcontroler) kommerziell erhältlich, von einfacher Bauart und geringen Abmessungen sind. Damit lassen sich besonders handliche und billige Sensoren mit integrierter Auswerteelektronik als preiswerte Massenprodukte bauen, die flexibel einsetzbar sind und sich durch eine hohe Lebensdauer auszeichnen. Wegen des geringen Energieverbrauches eignen sich die Sensoren besonders für den Einsatz in in-situ Meß-, Regel- und Überwachungssystemen.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Kennlinie der Sensoren durch dieses Verfahren nahezu linear wird, was zu großen Meßgenauigkeiten über weite Konzentrationsbereiche führt. Gleichzeitig zeichnet sich die Messung durch eine hohe Temperaturstabilität aus. Außerdem können die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Sensoren durch Justierung der Triggerschwelle an besondere Gegebenheiten und Kundenwünsche angepaßt werden.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß sich durch die Beobachtung des Referenzsignales störende Effekte, wie die Alterung der Lichtquelle oder die Änderung von Temperatur, Luftdruck oder Luftfeuchte korrigieren lassen. So können während einer langen Lebensdauer des Sensors Meßgenauigkeiten von besser als 1% bei einer Auflösung von wenigen ppm erreicht werden.

Die Meßgenauigkeit läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erhöhen, daß verschiedene Zeitintervalle auf möglicherweise verschiedenen Flanken der Signalamplituden gemessen und die Meßwerte zu einem gemeinsamen Meßwert gewertet und korrigiert verrechnet oder einfach gemittelt werden. Eine Messung über mehrere Oszillationen führt zu einer Steigerung der Meßgenauigkeit von weniger als 1%.

Vorteilhafterweise wird bei der Auswerteelektronik ein Microcontroler eingesetzt, der als autarker Rechner die Steuerung der Triggerschwellen, die Funktion des Pulsgenerators und die Berechnung der Meßwerte übernimmt. Dabei ist es auch möglich, den Pulsgenerator als Quelle für ein simuliertes und daher besonders stabiles Referenzsignal einzusetzen.

Vorteilhafterweise wird dem Sensor eine Alarmeinheit zugeordnet, die durch Über- und/oder Unterschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes durch den Meßwertes ausgelöst wird. Damit lasssen sich kleine und autarke Gasmelder ausrüsten, die überall flexibel einsetzbar sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 das Schema eines Infrarot Sensors,
2 den oszillierenden Verlauf der Ausgangssignale des Infrarot Sensors und
3 einen Ausschnitt aus dem oszillierenden Verlauf.
In 1 ist ein Infrarot Sensor 1 schematisch dargestellt. Der Sensor 1 weist eine Meßkammer 2 auf, in die das umgebende Gas, z.B. die Umgebungsluft, eintreten kann (Pfeil A). Im Sensor 1 befinden sich zwei auf Strahlung (im folgenden als Licht bezeichnet) im infraroten Bereich empfindliche Detektoren 3 und 4 der gleichen Bauart. Die sensible Oberfläche jedes Detektors ist mit einem optischen Filter 5 und 6 bedeckt. Eine Lichtquelle 7, in diesem Fall eine Glühbirne, durchstrahlt mit ihrer Strahlung 8 die Meßkammer 2.
Die Strahlung 8 wird im zu messenden Gas teilweise absorbiert und trifft auf die Detektoren 3 und 4. Dabei durchdringt die Strahlung einerseits den Filter 6, der für Strahlung im Bereich der Wellenlänge 3000 bis 4000 nm durchlässig ist. Das Wellenlängenfenster des Filters ist dabei so bemessen, daß es nicht mit der Absorbtion des messenden Gas übereinstimmt.
Somit liefert der Detektor 4 ein Ausgangssignal auf seiner Ausgangsleitung 9, das unabhängig von der Konzentration des zu messenden Gases ist. Der Detektor 4 dient somit als Quelle für das Referenzsignal.
Vor dem Detektor 3 ist ein für die Absorptionswellenlänge des zu messenden Gases durchlässiger Filter 5 angeordnet. Dabei sind u.a. Filter für die Gase CO, CO₂, NO, die Freone oder für C_nH_n denkbar. Die Amplitude des Ausgangssignales auf der Ausgangsleitung 10 des Detektors 3 ist somit abhängig von der Konzentration des Gases.
Die Ausgangsleitungen 9 und 10 sind mit einer elektronischen Einheit 11 verbunden, in der ein Microcontroler 12, ein Speicher 13 und eine Alarmvorrichtung 14 mit Hupe 15 zusammengefaßt sind, wobei die Alarmvorrichtung 14 durch ein Über- und/oder Unterschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes durch den Meßwert ausgelöst wird. In den Speicher ist ein Steuer und Auswerteprogramm ladbar. Der Microcontroler 12 realisiert damit die Komparatoren, den Pulsgenerator und die Auswerteeinheit. Als autarker Computer setzt er auch die Triggerschwellen, berechnet die Gaskonzentration und steuert die Versorgungsspannung der Lichtquelle 7 mit einer Frequenz zwischen 0 und 100 Hz.
2 zeigt einerseits den Verlauf der Lichtintensität 16 (unterbrochene Linie) der Lichtquelle 7 als Funktion der Zeit T in der Einheit Sekunden. Die Lichtintensität 16 hat die Zustände "Aus" und "An". Außerdem ist das Ausgangssignal des Detektors 4 als Referenzsignal 17 (durchgängige Linie) in seiner relativen Amplitude A aufgetragen. Als strichpunktierte Linie ist das in seiner Amplitude kleinere Meßsignal 18 des Detektors 3 aufgetragen. Referenzsignal 17 und Meßsignal 18 schneiden sich in der Symmetrieachse 19.
In 3 sind die in 2 markierten Ausschnitte C und D aus dem Kurvenverlauf dargestellt. In 3 sind zudem die von den Komparatoren symmetrisch um die Symmetrieachse 19 gesetzten Triggerschwellen 20 und 21 eingetragen. Das Verfahren zur Bestimmung der Gaskonzentration läuft in den folgenden Schritten:
Beim Überschreiten der Triggerschwelle 20 durch das Meßsignal 18 zum Zeitpunkt T0_M wird der im MHz Bereich arbeitende Pulsgenerator gestartet und beim Überschreiten der Triggerschwelle 20 durch das Referenzsignal 17 zum Zeitpunkt T0_R wird die Zahl der in dem Zeitintervall ΔT₀ = T0_R – T0_M eingelaufenen Pulse 22 (hier durch sieben Pulse angedeutet) registriert. Die Zahl der Pulse in ΔT₀ist proportional zum Unterschied ΔA (2) der Amplituden von Meßsignal und Referenzsignal und damit eine Funktion der Konzentration des Gases. Die Zahl der Pulse wird durch den Microcontroler in die Konzentration umgerechnet.
In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die eine Triggerschwelle 20 bei negativen und eine Triggerschwelle 21 bei positiven Werten der Signalamplitude gesetzt. Somit ist es möglich ein weiteres Zeitintervall ΔT₁ als Differenz. vom Zeitpunkt T1_R (Überschreiten der Triggerschwelle 21 durch das Referenzsignal 17) und T1_M (Überschreiten der Triggerschwelle 21 durch das Meßsignal 18) auszumessen und eine Mittelung der Werte vorzunehmen. Auf diese Art kann während nur eines halben Zyklus der Oszillation ein genauer Konzentrationswert gemessen werden.
Eine Erhöhung der Meßgenauigkeit ist möglich, wenn einerseits die Zeitintervalle auf der ansteigenden Flanke 23 und andererseits die Zeitintervalle auf der absteigenden Flanke 24 der oszillierenden Signale gemessen und verrechnet werden.
Es ist in einer anderen Form des Verfahrens auch möglich, das Zeitintervall ΔT_M vom Überschreiten der Triggerschwelle 20 bis zum Überschreiten der Triggerschwelle 21 für das Meßsignal zu messen, das eine Funktion der Amplitude des Meßsignales ist. Wenn gleichfalls das Zeitintervall ΔT_R vom Überschreiten der Triggerschwellen 20 und 21 für das Referenzsignal gemessen wird, das eine Funktion der Amplitude des Referenzsignales ist, läßt sich aus dem Verhältnis von ΔT_M zu ΔT_R die Gaskonzentration bestimmen. ΔT_R kann zudem für die Berechnung eines Korrekturwertes, in den die Änderung des Referenzsignales eingeht, benutzt werden.
Um bei Bedarf eine noch größere Meßgenauigkeit zu erhalten kann die Auswertung über mehrere Perioden der Oszillation durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Messung der Konzentration eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft, mittels eines Infrarot Sensors (1), der ein oszillierendes Meßsignal erzeugt, wobei dem Meßsignal ein ebenfalls oszillierendes Referenzsignal zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, – daß bei einer vorgebbaren Signalamplitude eine Triggerschwelle (20, 21) gesetzt wird, – daß das Zeitintervall zwischen dem Überschreiten der Triggerschwelle (20, 21) von dem Meßsignal (18) und dem Überschreiten der Triggerschwelle (20, 21) von dem Referenzsignal (17) gemessen wird und – daß das Zeitintervall in eine Konzentration des Gases umgerechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerschwelle (20, 21) durch einen Komparator gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim ersten Überschreiten der Triggerschwelle (20, 21) durch das eine Signal eine Zählung von Pulsen (22) eines Pulsgenerators gestartet und beim Überschreiten der Triggerschwelle (20, 21) durch das andere Signal die während des Zeitintervalls gezählte Anzahl von Pulsen (22) registriert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Triggerschwelle (20) bei negativen und eine Triggerschwelle (21) bei positiven Werten der Signalamplitude gesetzt wird und eine Verrechnung, insbesondere eine Mitteilung, der beiden gemessenen Zeitintervalle für die Bestimmung der Gaskonzentration verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall vom Überschreiten der ersten Triggerschwelle (20) bis zum Überschreiten der anderen Triggerschwelle (21) sowohl für das Meßsignal (18) als auch für das Referenzsignal (17) gemessen wird und aus dem Verhältnis der Zeitintervalle die Gaskonzentration bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von Komparatoren vorgebbaren Triggerschwellen (20, 21) symmetrisch um den Schnittpunkt (19) von Meßsignal (18) und/oder Referenzsignal (17) gesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Zeitintervall auf der ansteigenden Flanke (23) und ein Zeitintervall auf der absteigenden Flanke (24) der oszillierenden Signale (Meßsignal 18, Referenzsignal 17) gemessen wird und eine Verrechnung der gemessenen Zeitintervalle für die Bestimmung der Gaskonzentration verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Zeitintervalle und damit die Verrechnung über mehrere Oszillationen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillationen von Meßsignal (18) und Referenzsignal (17) von einer dem Infrarot Sensor (1) zugeordneten ein- und ausschaltbaren Strahlungsquelle mit einem infraroten Anteil, insbesondere einer Lichtquelle (7), hervorgerufen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal (17) von einem Signalgenerator erzeugt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Infrarot Sensor (1 ), der mindestens einen lichtempfindlichen, mit einem Filter (5, 6) bedeckten Detektor (3, 4) aufweist, der die Intensität einer oszillierenden Strahlungsquelle (Lichtquelle 7) in ein Meßsignal (18) umsetzt und dem ein oszillierendes Referenzsignal (17) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, – daß ein elektronischer Komparator bei einer vorgebbaren Signalamplitude eine Triggerschwelle (20, 21) setzt und – daß ein Microcontroler (12) die von einem Pulsgenerator erzeugten Pulse zwischen dem Überschreiten der Triggerschwelle (20, 21) von dem Meßsignal (18) und dem Überschreiten der Triggerschwelle (20, 21) von dem Referenzsignal (17) zählt und die Anzahl in eine Konzentration des Gases umrechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillationen der Lichtquelle (7) und/oder des Signalgenerators eine Frequenz zwischen 0 und 100 Hz aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal (18) und das Referenzsignal (17) einem Microcontroler (12) zugeführt werden, der die Triggerschwellen (20, 21) setzt und die Bestimmung der Gaskonzentration vornimmt.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Microcontroler (12) ein autarker Computer ist, dem ein Speicher (13) zugeordnet ist, wobei in den Speicher (13) ein Steuer- und Auswerteprogramm ladbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei Über-und/oder Unterschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes durch den Meßwert eine Alarmvorrichtung (14) auslösbar ist.