(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質濃度の名目上の測定範囲を有する化学センサを使用してガス状溶媒中の物質濃度を算出するための方法であって、
ａ）ガス状溶媒からの試料流の採取と、
ｂ）調整可能の希釈比をもつ測定ガス流に加えた混合装置内での希釈ガス流と試料ガス流の混合と、
ｃ）検出信号を発生するための化学センサへの測定ガス流の供給と、
ｄ）化学センサによって検出された物質濃度が名目上の測定範囲に保持される希釈比の再調整と、
によりガス溶媒中の物質濃度を算出する方法において、
試料ガス流（１）と希釈ガス流（２）とがそれぞれ交互に相前後して限定された容積流で規則的時間間隔で混合装置（１６）に供給され、かつ、
希釈比が規則的時間間隔比に基づいて計算されることを特徴とする方法。
【請求項２】
試料ガス流（１）と希釈ガス流（２）の容積流が一致した値を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
試料ガス流（１）と希釈ガス流（２）とが混合装置（１６）の前に配設された混合弁を介して、好ましくは３／２路弁（３０）の形態で供給され、前記混合弁が交互に試料ガス流（１）と希釈ガス流（２）とを明渡すことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
混合弁（３０）が中央制御装置（２４）によって駆動され、前記中央制御装置が規則的時間間隔比を検出信号（２２）に依存して与えることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
希釈比が連続的に再調整されることを特徴とする上記請求項のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
希釈ガス流（２）として周囲環境から得られた空気流またはボトルまたはそれと類似のものから得られたガス流を使用することを特徴とする上記請求項のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
化学センサ（２０）が確実に該化学センサの名目上の測定範囲で作動するように、始めに希釈比が設定されることを特徴とする上記請求項のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
複数の化学センサ（２０）が複数の異なる物質を検出するために設けられ、かつ、希釈比の制御が前記化学センサ（２０）の検出信号（２２）に基づいておこなわれ、開始時に該化学センサの名目上の測定範囲から最も離れていることを特徴とする上記請求項のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
先行する測定の化学センサ（２０）の検出信号（２２）から出発して、前もって予想されるその後の測定の検出信号（２２）が定められ、かつ、該検出信号から出発して希釈比が濃差形成により調整されることを特徴とする上記請求項のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
化学センサ（２０）の検出信号（２２）が所定の名目上の測定範囲の間隔で段階的または無段階的に希釈比を変化させることにより保持されることを特徴とする上記請求項のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項記載の方法を実施するための装置であって、
ａ）試料ガス流（１）を採取するための装置と、
ｂ）試料ガス流（１）と希釈ガス流（２）とが混合弁（３０）を介して、好ましくは３／２路弁の形式で規則的時間間隔で交互に混合装置（１６）に供給され、かつ、そこで測定ガス流（３）に加えて混合される希釈ガス流（２）を含む試料ガス流（１）を希釈するための希釈装置と、
ｃ）測定ガス流（３）内の物質濃度の基準として検出信号（２２）を発生するための少なくとも１つの化学センサ（２０）と、
ｄ）測定ガス流（３）内の物質濃度が化学センサ（２０）の名目上の測定範囲で保持されるように検出された濃度に応じて規則的時間間隔を与えることにより希釈比を再調整するための制御装置（２４）とを、
備えたことを特徴とする装置。
【請求項１２】
混合装置（２４）が、たとえばノズル、キャピラリまたは静混合装置のような渦流発生装置を組み込んだ混合室として仕上げられることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
希釈装置を迂回するために切替可能のバイパスを特徴とする請求項１１または１２記載の装置。
【請求項１４】
混合弁（３０）に前置された前室（１５）を特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
混合室（１６）に後置された測定ガス流のための搬送ポンプ（１２）を特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス状溶媒中の物質濃度を算出するための方法と、前記方法に適した装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス状溶媒中の物質濃度を算出するための化学センサもしくは電気化学センサは、いわゆる名目上の測定範囲を有し、この測定範囲内に限定された精度で測定することが可能である。この名目上の測定範囲外では、センサの作動が不正確になり、さらに名目上の測定範囲から著しく逸脱する場合、破損する危険がある。
【０００３】
上述のようなセンサは、この結果まず第一に、測定する物質に予想される濃度が、この名目上の測定範囲内に予想しうる場合にのみ、ガス状溶媒の前述のような濃度測定に適しているにすぎない。この名目上の測定範囲は、多くの適用事例にとり十分なものではない。なぜなら予想される濃度値がそれよりもはるかに大きい帯域を有する可能性があるからである。
【０００４】
上記の問題を解決するために、たとえばドイツ特許第４４０７３４５Ａ１号から、本発明はこの特許から出発しているが、該当する物質濃度がセンサの名目上の測定範囲内にある場合に限り、希釈されている測定ガス流を化学センサに供給することが知られている。したがって、逆算によりガス状溶媒中の物質濃度の現在値を決定することができる。
【０００５】
したがって具体的には、まず初めにガス状溶媒から試料ガス流が採取され、かつ、混合装置で希釈ガス流を、特に周囲環境から得られた空気流を測定ガス流に加えて混合される。このとき希釈比は、試料ガス流と希釈ガス流の割合の変動によって変化し、かつ、一定の値に調節することができる。このようにして得られた測定ガス流が化学センサに案内され、この化学センサが物質濃度の基準となる検出信号を発生する。検出された濃度が名目上の測定範囲外にある場合、希釈比の再調整により試料ガス流中の濃度が再処理される。ガス状溶媒中の物質濃度は、これで希釈比を考慮して検出信号を評価することにより算出される。
【０００６】
これに関連して、特に可能な限り正確な希釈比の知見を得ることが重要である。なぜならこの希釈比が測定結果の精度を直接決めるからである。この目的のために（別の）物質成分の濃度が希釈する前後に測定され、かつ、ここから希釈比が決められる。そのための前提条件は、この（別の）物質成分が両方の位置の一方で、すなわち混合前または混合後の位置で知られ、かつ、一定であることである。好ましく再現される解決策の１つは、希釈ガス流として空気流を使用することであり、この空気流は周囲環境から採取される。試料ガス流と混合する前の、公知の一定量存在する物質成分として、たとえば酸素を考慮することができる。混合前と混合後の酸素濃度の比率から、確実に希釈比を決定することができる。
【０００７】
この場合の欠点は、希釈比を算出するためのコストが比較的高いことである。たとえば追加のセンサを１つ設け、特に該センサの検出信号を評価する必要がある。これに伴って生ずるソフトウエアのコストはかなりの額に上り、特に動的処理過程で、すなわち希釈比を再調整する必要のある測定物質濃度が変動する場合である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明が解決しようとする問題点は、上述の欠点を防ぐことができる、冒頭に述べた方式の、ガス状溶媒中の物質濃度を算出するための方法と装置を開発することである。特に、化学センサの名目上の測定範囲を維持することは、この名目上の範囲外にあるガス状溶媒の物質濃度においても、可能な限り簡単な構造の手段と、可能な限り少ないソフトウエアコストとで実現しなければならない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この問題は請求項１の特徴を有する方法により解決される。そして、その好ましい方法の変形態様は、以下の従属請求項に定義されている。
【００１０】
さらに、上記問題は、請求項１１の特徴に記載されている、前記方法を実施するために適した装置によって解決される。この装置の好ましい実施態様は、以下の従属請求項に記載されている。
【００１１】
本発明は、試料ガス流と希釈ガス流とを交互に相前後して規則的時間間隔で供給し、かつ、規則的時間間隔比から希釈比を計算するという考え方に基づいている。そのための前提条件は、試料ガス流と希釈ガス流とがそれぞれ限定された容積流で搬送されることである。この長所は、希釈比を決定するために特別のセンサを必要としないことである。規則的時間間隔比は、一方で試料ガス流と、他方で希釈ガス流の供給に割当てられる時間割合の商から問題なく決定することができる。時間測定は、それ自体ありふれたことであり、通常、マイクロプロセッサユニットによって制御されているタイマモジュールを利用しておこなうことができる。
【００１２】
希釈比の計算は、試料ガス流と希釈ガス流との容積流が同じ値を有するとき、特に簡単におこなうことができる。この場合には、規則的時間間隔比はすでに直接希釈比に相当する。この場合の計算もしくはソフトウエアコストは極くわずかである。
【００１３】
好ましくは、試料ガス流と希釈ガス流は混合弁を介して供給され、その際、特に簡単な構造上の構成は、往復切替により交互に試料ガス流と体積ガス流とを明渡す３／２路弁を使用することにより可能になる。このとき制御装置は、単に所望の希釈比に調整するために、切替パルスを規則的時間間隔で与えるだけである。同様に、３／２路弁の代わりに、２つの平行配置した２／２路弁を使用することも可能である。
【００１４】
好ましくは、中央制御装置によって混合弁が作動され、前記中央制御装置が化学センサの検出信号を評価し、かつ、直接そこから必要な規則的時間間隔比を決定し、この規則的時間間隔比は名目上の測定範囲を維持するために必要になる。この結果、ガス状溶媒中の物質濃度を迅速に算出することが可能になる。
【００１５】
この結果原則として本発明に基づく方法は、動的測定法としても指定することができ、この測定法では希釈比が連続的に再調整される。算出する物質濃度の変動は、連続的に希釈比に適合させることにより、測定ガス流が常に化学センサの名目上の測定範囲内の濃度を有する場合に補償される。
【００１６】
極端な場合では、測定ガス流の濃度が実質的に一定であり−かつそれとともにセンサの最適測定値に−維持されるため、この結果、規則的時間間隔比はガス状溶媒中の物質の初期濃度に直接比例する。測定結果の精度は、これによりまず第一に時間測定の精度に依存するが、これは実際上まったく問題はない。
【００１７】
希釈ガス流として、空気流の使用が好ましいことが証明されており、この空気流は直接周囲環境から得ることができる。通常、空気は直接周囲環境から採取できるが、必要がある場合には空気フィルタを介して直接混合装置に供給することもできる。
【００１８】
同様に、希釈ガス流として別のガス流、たとえばボトルからのガス流を使用することができる。特に適性が証明されているのは窒素ガスである。たとえばバイパス付きポンプ、バイパス付き圧力制御装置のような適切な措置を講ずることにより、希釈ガス流が混合弁に無圧で供給されることを保証しなければならない。
【００１９】
本発明に基づくその他の構成は、複数の化学センサがガス状溶媒の複数の物質を検出するために備えられることを考慮している。その場合では、希釈比の調整は測定開始時に予想される名目上の測定範囲から最も離れている化学センサの検出信号を基準にしておこなわれる。これにより大幅に危険にさらされるセンサを確実に保護することが保証される。
【００２０】
好ましくは、１つまたはそれ以上の先行する測定の検出信号から出発して、十分に予想されるそれ以後に出てくる測定の検出信号が決められ、これにしたがって希釈比が濃差形成により調整することができる。予想されるこの検出信号の前評価により、測定値が名目上の測定範囲内に生ずるような仕方で迅速に再調整することができる。これにより多くの場合、現在の検出信号がすでにセンサの名目上の測定範囲に関係することになるので、再調整を省くことができる。
【００２１】
連続的に測定する場合、希釈比は段階的に変化させることができる。すなわち、名目上の測定範囲を越える場合である。他方、連続的にあたかも無段階的に希釈比を変化させる方法があり、これにより測定値は、名目上の測定範囲もしくは最適測定値の比較的狭い間隔に維持することができる。
【００２２】
本発明に基づく、化学センサの名目上の測定範囲を保持するためのガス状溶媒から採取される試料ガス流の動的希釈の方法は、名目上の測定範囲が維持されているか否かを確認するために、このセンサの電気検出信号を使用する。この検出信号が名目上の測定範囲（全測定範囲の部分領域）外にあるとき、希釈比が変化する。ここで希釈比が、規則的時間間隔で交互に試料ガス流と希釈ガス流とを順番に供給することにより達成される。
【００２３】
前記方法の実施に適している装置は、以下の主要構成要素を有する。
ａ）試料ガス流を採取するための装置
ｂ）試料ガス流と希釈ガス流が混合弁を介して規則的時間間隔で交互に混合装置に供給され、ここで測定ガス流に加えて混合される、希釈ガス流を含む試料ガス流を希釈するための希釈装置
ｃ）測定ガス流中の物質濃度の基準となる検出信号を発生するための少なくとも１つの化学センサ
ｄ）測定ガス流中の物質濃度が化学センサの名目上の測定範囲で保持されるように、規則的時間間隔を与えることにより検出された濃度に応じて希釈比を再調整するための制御装置。
【００２４】
上記装置は、構造的に簡単な構成を特徴とし、さらに希釈比の調整もしくはその再処理が非常に簡単になる。
【００２５】
好ましくは、可能な限り試料ガス流と希釈ガス流との集中的な均一の混合を保証するため、組込型渦流発生装置を備えた混合室として混合装置が仕上げられる。これは本発明との関連においては特に重要である。なぜなら部分ガス流が交互に混合室に供給されるからである。渦流発生装置として、たとえばノズル、キャピラリまたは、いわゆる激しい渦流の発生により内部の混合を比較的小容積で可能にする静混合装置が適している。
【００２６】
好ましくは、採取された試料ガス流が直接化学センサに供給される、希釈装置を迂回するためのバイパスが設けられる。上述のような変形態様は、予想される濃度値に基づいて化学センサが名目上の測定範囲で駆動することができ、かつ、希釈が個別的な場合にのみ測定値を越えることから必要になる場合に、提供される。
【００２７】
一種の緩衝装置として利用され、試料ガス流の供給領域における変動を調整することができる前室を、直接混合弁の前に前置することも長所とすることができる。
【００２８】
最後に、測定ガス流のための搬送ポンプが混合室に後置されることが長所である。混合弁の瞬間の位置に依存して、この搬送ポンプは試料ガスまたは希釈ガスを搬送する。この混合室の後に選択した配列により、測定ガス流が均一に混合されポンプに吸込まれ、センサへの供給が保証される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明は、以下に図示した例をもとにしてより詳しく説明される。
【００３０】
原則的な処理方法は、図１から明らかである。これは、調査するガス状溶媒１００、たとえば焼却施設の排煙中の特定物質の含有量（濃度）について調査するものである。このために化学センサ２０が備えられ、該化学センサの検出信号２２が中央制御装置２４に供給され、この中央制御装置で前記検出信号が評価かつ例示され、記憶または再処理される。化学センサ２０は、調査する物質濃度に対し、それぞれ固有の名目上の測定範囲を有し、この測定範囲は検出信号２２の名目上の域値と関係する。
【００３１】
ガス状溶媒１００から試料ガス流１が採取される。このために搬送ポンプ１０が設けられ、この搬送ポンプが試料ガス流１を連続的にかつ一定の容積流で搬送し、この容積流はあらゆる運転状態で常に一定である。試料ガス流１は、混合室１６の混合弁３０を介して供給される。混合弁３０は規則的に運動する３／２路弁であり、この弁を制御装置２４が制御信号２６で駆動する。
【００３２】
さらに混合弁３０を介して、希釈ガス流２が混合室１６に供給され、この混合室で、ここに詳しく図示していない渦流発生装置により、測定ガス流３に加えて試料ガス流１が集中的に混合される。測定ガス流３は、搬送ポンプ１２を使用して限定かつ一定に維持された容積流でキャピラリ１８を介して化学センサ２０に供給される。化学センサ２０は、これにより（希釈された）測定ガス流３内の該当する物質濃度を把握し、希釈比に依存してガス状溶媒１００内に存在する（真の）濃度へこの濃度が逆算されなければならない。
【００３３】
混合弁３０は、規則的に試料ガス流１と希釈ガス流２との間で交互に往復切替をし、この結果、混合弁３０と混合室１６との間の（ここに詳しく示していない）管部分でその都度順番に試料ガス流１と希釈ガス流２の部分容積（パッケージ）が存在する。混合弁３０は単に２つの切替状態をもつだけなので、試料ガス流１のための流路または希釈ガス流２のための流路が明け渡される。混合弁３０が試料ガス流１のための流路を明け渡している間、希釈ガス流２の流路は閉じられている。混合弁３０の切替時に、試料ガス流１のための流路が閉じられ、それと同時に希釈ガス流２のための流路が明け渡される。希釈ガス流２は、搬送ポンプ１２が混合室１６と混合弁３０を介して周囲環境から空気を吸込むことにより生ずる。
【００３４】
この切替状態が持続する間、搬送ポンプ１０がさらに試料ガスを搬送するので、流れ方向に見たとき、混合弁３０の前に分岐１４が生じ、この分岐を介して試料ガス流１がバイパス流４として、たとえば下向流領域（排気口）におけるガス状溶媒１００に還流される。この場合には、試料ガス流１の容積流はバイパス流４の容積流に相当する。
【００３５】
混合弁３０が新たに試料ガス流１のための管を明け渡したとき、直ちに試料ガス流が混合室１６に供給され、しかも搬送ポンプ１２によって設定された容積流で供給される。この容積流は搬送ポンプ１０によって搬送された試料ガス流１よりも少ないので、試料ガスの一部はさらにバイパス流４を経由して逃れる。
【００３６】
上述から明らかなことは、希釈比、すなわち希釈ガス流２の容積流に対する試料ガス流１の容積流の比率は、規則的時間間隔比を変化させることにより調整することができ、これにより混合弁３０が往復切替される。そのために必要な制御信号２６は中央制御装置２４によって作られるので、簡単な方法で検出信号２２を評価することにより、検出信号２２が所定の域値の範囲内にないような場合でも、直ちに再調整することができる。この簡単な措置で希釈比を変化させることにより、化学センサは常にその名目上の測定範囲で駆動することが保証される。特にこのコンセプトは、測定値が非常に激しい時間的変動を受けるような場合でも、物質濃度の連続的（動的）な把握も可能にする。
【００３７】
上述の例で実現されたように、試料ガス流１と希釈ガス流２の容積流が一致している場合、規則的時間間隔比と、測定ガス流３で算出された物質濃度値とからガス状溶媒１００中に存在する（真の）濃度値に直接換算することができる。たとえば混合弁３０は、１／１０秒対９／１０秒の比率で、試料ガス流１と希釈ガス流２との間で往復切替されたとき、これは１０対１の希釈比をもつ測定ガス流３を生じさせる。化学センサ２０により検出された濃度値は、この結果、実際に支配している濃度を定量するために、単に係数１０を乗じればよいことになる。有効な測定範囲は、この場合、係数１０の分だけ増加されている。
【００３８】
制御装置２４は、たとえば規則的時間間隔比が所定の段階で、現在の検出信号２２が先行する域値を離れるおそれがあるとき、常に変更するようにプログラムすることができる。この関連の中で目的に応じて、その都度規則的時間間隔比が２倍にできるので、この結果、希釈工程の順番は二重になる。
【００３９】
同様に、希釈比の変化は無段階でおこなうことも可能であり、これにより最終的に、現在の（真の）物質濃度をもっぱら（連続的に変化する）希釈比と関係させるために、測定値を常に一定の所定の最適値に維持することも可能である。このためには当然ながら、ガス流路内のむだ時間とセンサの遅れ時間とを考慮するために、比較的高い見積コストが必要になる。
【００４０】
図２に示した構成は、図１に記載した当初の構成に基づくものである。２つの平行に接続された流路に分割されている化学センサ２０の数が多くなるほか、特に全構成要素を迂回するバイパス管３６が際立ち、この構成要素が試料ガス流１の希釈を遂行する。バイパス管３６は、分岐１４で２つに分かれ、搬送ポンプ１２の後とキャピラリ１８の前で還流される。このバイパス管は、これにより引き続きいわゆる標準運転を可能にし、この運転では試料ガス流１が希釈されずに化学センサ２０に供給される。さらに、バイパス管３６の中に弁３２が挿入され、この弁は３／２路弁として仕上げられ、それぞれの切替位置に応じてバイパス管３６を連通させ、または該バイパス管を排気口に案内する流路の明け渡して遮断する。
【００４１】
さらにバイパス管３６の還流点に弁３４が設けられ、この弁は選択によりバイパス管３６を介した流路に、または測定ガス流３のための流路に明け渡す。
【００４２】
標準運転では弁３２、３４（および混合弁３０）が静止位置にあり、この結果、試料ガス流１はバイパス管３６を介した流路を取る。試料ガス流１は、搬送ポンプ１０によって維持される。搬送ポンプ１２はオフである。
【００４３】
希釈運転のために弁３２、３４が連通される（通流される）。搬送ポンプ１０が試料ガスを緩衝装置として作用する前室１５に搬送し、そこで規則的に運動する混合弁３０を介して混合室１６へ搬送する。あふれた試料ガスは、依然として分岐１４と連通された弁３２とを介して排気口に送風することができる。さらに搬送ポンプ１２により、希釈ガス流は規則的に運動する混合弁３０を介して吸込まれ、同様に混合室１６に供給される。これにより、この運転方式は、冒頭で述べた処理方法と一致する。
【００４４】
念のために述べておくことにするが、試料ガス流１が希釈されない、いわゆる標準運転は、原則として図１に記載の構成によっても実現することができる。このために、混合弁３０は、試料ガス流１の流路で一定に連通される。
測定精度が高いために、本発明は希釈による高濃度の排煙の組成の測定に適しているのみならず、さらにこれにより、一連のさまざまな濃度の測定をもとにして測定装置の補正を実施するために、公知の組成の高濃度の試料ガスを限定して希釈することにも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本方法を実施するための基本接続図である。
【図２】本方法に適した装置の基本接続図である。
【符号の説明】
１  試料ガス流
２  希釈ガス流
３  測定ガス流
４  バイパス流
１０  搬送ポンプ
１２  搬送ポンプ
１３  キャピラリ
１４  分岐
１５  前室
１６  混合室
１８  キャピラリ
２０  化学センサ
２２  検出信号
２４  制御装置
２６  制御信号
３０  混合弁
３２  弁
３４  弁
３６  バイパス管
１００  ガス状溶媒
【図１】
0003648618.tif 000002
【図２】
0003648618.tif 000003