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DE102024106208A1 - Device and method for determining a property of a fluid - Google Patents

Device and method for determining a property of a fluid

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Publication number
DE102024106208A1
DE102024106208A1 DE102024106208.8A DE102024106208A DE102024106208A1 DE 102024106208 A1 DE102024106208 A1 DE 102024106208A1 DE 102024106208 A DE102024106208 A DE 102024106208A DE 102024106208 A1 DE102024106208 A1 DE 102024106208A1
Authority
DE
Germany
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fluid
property
determining
measuring
measuring chamber
Prior art date
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Application number
DE102024106208.8A
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German (de)
Inventor
Ralph Kondziella
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cs Instruments & Co Kg De GmbH
Original Assignee
Cs Instr & Co Kg GmbH
Cs Instruments & Co Kg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cs Instr & Co Kg GmbH, Cs Instruments & Co Kg GmbH filed Critical Cs Instr & Co Kg GmbH
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Priority to PCT/DE2025/100233 priority patent/WO2025185794A1/en
Publication of DE102024106208A1 publication Critical patent/DE102024106208A1/en
Granted legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 und ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels Photoakustischer Spektroskopie (PAS).
Die Vorrichtung 1 ist mit einem Gehäuse 2, das einen Messraum 3 zur Aufnahme des Fluids umschließt, mit einer Strahlungsquelle 4, die derart ausgestaltet ist, dass sie moduliert eine elektromagnetische Anregungsstrahlung für das Fluid erzeugt und in den Messraum 3 mit dem Fluid einstrahlt, mit einer Schallmesseinrichtung 5, die derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Messraum 3 von dem Fluid erzeugte Schallwellen erfassen kann, mit einer Steuereinrichtung 7, die die Strahlungsquelle 4 so ansteuert, dass die Modulation der Anregungsstrahlung mit einem Frequenzbündel mit mehreren voneinander beabstandeten Einzelfrequenzen erfolgt, und mit einer Auswerteeinrichtung 6, die derart ausgestaltet ist, dass sie das erfasste Schallsignal der Schallmesseinrichtung 5 auswertet, indem die Verteilung der verschiedenen Frequenzwerte mittels einer Fourier-Transformation des Signals bestimmt wird und daraus eine Information über die Eigenschaft des Fluids bestimmt wird, versehen.
Sie ermöglicht eine sehr verlässliche Aussage zu der gewünschten, zu bestimmenden Eigenschaft des Fluids. Diese Vorrichtung 1 kann auf aufwändige Mechanismen zur Kompensation von Temperaturschwankungen und von Schwankungen der Reinheit des Fluids verzichten und ist damit sehr kostengünstig. The invention relates to a device 1 and a method for determining a property of a fluid by means of photoacoustic spectroscopy (PAS).
The device 1 is provided with a housing 2 that encloses a measuring chamber 3 for receiving the fluid, with a radiation source 4 that is designed such that it generates modulated electromagnetic excitation radiation for the fluid and radiates it into the measuring chamber 3 with the fluid, with a sound measuring device 5 that is designed such that it can detect sound waves generated by the fluid in the measuring chamber 3, with a control device 7 that controls the radiation source 4 such that the modulation of the excitation radiation occurs with a frequency beam having several spaced-apart individual frequencies, and with an evaluation device 6 that is designed such that it evaluates the detected sound signal of the sound measuring device 5 by determining the distribution of the various frequency values by means of a Fourier transformation of the signal and from this, information about the property of the fluid is determined.
It enables a very reliable determination of the desired fluid property. This device 1 eliminates the need for complex mechanisms to compensate for temperature fluctuations and fluctuations in fluid purity, making it very cost-effective.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels Photoakustischer Spektroskopie (PAS).The invention relates to a device and a method for determining a property of a fluid by means of photoacoustic spectroscopy (PAS).

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Die spektroskopische Detektion molekularer Bestandteile von Fluiden, das heißt Gasen oder Flüssigkeiten, ist seit langem Bestandteil der chemischen Analytik. Im zunehmenden Maße werden spektroskopische Detektoren zum Spurengasnachweis oder zur Konzentrationsüberwachung von gesundheits- und umweltschädlichen Stoffen in vielen Anwendungsumgebungen eingesetzt.The spectroscopic detection of molecular components of fluids, i.e., gases or liquids, has long been a part of chemical analysis. Spectroscopic detectors are increasingly being used for trace gas detection or for monitoring the concentration of substances harmful to health and the environment in many application settings.

Hierzu wird meist die direkte Absorptionsspektroskopie verwendet. Das gemessene Signal ist dabei die spektral abhängige Dämpfung der elektromagnetischen Strahlung einer Lichtquelle durch den zu erfassenden Stoff. Gemessen wird die Leistung der elektromagnetischen Strahlung, welche hinter der Probe auf einen Detektor fällt.Direct absorption spectroscopy is typically used for this purpose. The measured signal is the spectrally dependent attenuation of the electromagnetic radiation from a light source by the substance being measured. The power of the electromagnetic radiation falling on a detector behind the sample is measured.

Für die spektroskopische Detektion molekularer Bestandteile von Gasen oder Flüssigkeiten sind neben der Absorptionsspektroskopie grundsätzlich auch photoakustische Messverfahren geeignet. Bei diesen wird die Dämpfung der elektromagnetischen Anregungsstrahlung durch die Probe indirekt erfasst. Absorbiert die Probe die elektromagnetische Strahlung, so wird aufgrund der Erwärmung der Probe eine Druckwelle in der Probe erzeugt. Diese Druck- oder Schallwelle wird mit Hilfe einer entsprechenden Detektionseinrichtung erfasst. Die Amplitude, also die Lautstärke, dient insbesondere in Verbindung mit der Phaseninformation der erfassten Schallwelle dann als Maß für die Absorption der elektromagnetischen Anregungsstrahlung durch die Probe. Die photoakustischen Messverfahren bieten den Vorteil eines Messsignals gegen Null. Wenn die Probe die elektromagnetische Strahlung nicht absorbiert, so wird vom zu untersuchenden Gas keine Schallwelle erzeugt und es ist kein oder lediglich ein geringes Hintergrundsignal messbar. Darüber hinaus erreichen die photoakustischen Messverfahren in bestimmten Varianten extreme Empfindlichkeiten bei dem Nachweis von Spurengasen.In addition to absorption spectroscopy, photoacoustic measurement techniques are also generally suitable for the spectroscopic detection of molecular components of gases or liquids. These techniques indirectly measure the attenuation of the electromagnetic excitation radiation by the sample. If the sample absorbs the electromagnetic radiation, a pressure wave is generated within the sample due to the heating of the sample. This pressure or sound wave is detected using a suitable detection device. The amplitude, i.e., the volume, particularly in conjunction with the phase information of the detected sound wave, then serves as a measure of the absorption of the electromagnetic excitation radiation by the sample. Photoacoustic measurement techniques offer the advantage of a measurement signal approaching zero. If the sample does not absorb the electromagnetic radiation, no sound wave is generated by the gas under investigation, and no or only a low background signal can be measured. Furthermore, certain variants of photoacoustic measurement techniques achieve extreme sensitivity in the detection of trace gases.

Die spektrale Information, welche ein photoakustisches Messverfahren bereitstellt, ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen durch eine schmalbandige Anregungsstrahlung gegeben, die in der Emissionswellenlänge auf die Absorptionseigenschaften der zu detektierenden Substanz abgestimmt ist. Eine spezifische Anregungsfrequenz der Anregungsstrahlung ist in der Regel selektiv empfindlich für genau ein Molekül. Mit einer einzigen, schmalbandigen Laserlichtquelle zur Erzeugung der Anregungsstrahlung lässt sich in der Regel nur eine einzige Spezies von Molekülen erfassen oder die schmalbandige Strahlung muss durchgestimmt werden. Die erforderlichen Laserlichtquellen sind zudem ein erheblicher Kostenfaktor beim Einsatz solcher photoakustischer Detektoren insbesondere im mittleren infraroten Spektralbereich.The spectral information provided by a photoacoustic measurement method is provided in the methods and devices known from the state of the art by narrowband excitation radiation, whose emission wavelength is tuned to the absorption properties of the substance to be detected. A specific excitation frequency of the excitation radiation is usually selectively sensitive to exactly one molecule. Using a single, narrowband laser light source to generate the excitation radiation, usually only a single species of molecules can be detected, or the narrowband radiation must be tuned. The required laser light sources also represent a significant cost factor when using such photoacoustic detectors, particularly in the mid-infrared spectral range.

Durch die Absorption der elektromagnetischen Anregungsstrahlung wird eine Druckwelle oder Schallwelle erzeugt, die aufgrund der geometrischen Gestalt der Messzelle und aufgrund der Schallgeschwindigkeit in der Messzelle gegebenenfalls durch die Verteilung der Schallgeschwindigkeit in der Messzelle eine frequenzabhängige differenzierte Dämpfung erfährt, sodass aufgrund des erfassten Schallsignals und dessen spektraler Verteilung, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung von Raummoden, also den Lagen der auftretenden Resonanzfrequenzen, eine Aussage über die Schallgeschwindigkeit und daraus abgeleitet eine Aussage über die Eigenschaften des Fluids in der Messzelle gewonnen werden kann. Wenn es gelingt, die Güte der Resonanz hoch zu halten, lässt sich grundsätzlich eine sehr aussagekräftige Information zur Eigenschaft des Fluids gewinnen.The absorption of the electromagnetic excitation radiation generates a pressure wave or sound wave, which, due to the geometric shape of the measuring cell and the speed of sound in the measuring cell, possibly due to the distribution of the speed of sound within the measuring cell, undergoes frequency-dependent, differentiated attenuation. This allows the recorded sound signal and its spectral distribution, particularly with regard to the formation of spatial modes, i.e., the positions of the occurring resonance frequencies, to obtain information about the speed of sound and, from this, a statement about the properties of the fluid in the measuring cell. If the quality of the resonance can be maintained at a high level, very meaningful information about the properties of the fluid can be obtained.

Die Güte der Resonanz ist hier hilfreich, denn die daraus resultierende Resonanzüberhöhung wird zur Verstärkung des akustischen Signales genutzt. Hierzu wird typischerweise eine selektierte Resonanzfrequenz der Messzelle zur Modulation der Anregungsstrahlung verwendet und genau diese Resonanzfrequenz bei der Auswertung des Schallsignals herangezogen, was zum Beispiel mittels eines Lock-In-Verfahrens erfolgt. Dies hat aber den Nachteil, dass bei einer unbemerkten Abweichung von der Resonanzfrequenz, zum Beispiel durch eine Veränderung der Schallgeschwindigkeit, im Hinblick auf die sehr hohe Güte der Resonanz der Messwert und damit die Information an der erwarteten Resonanzfrequenz sehr stark systematisch fehlerbehaftet ist und damit eine schlechte, wenig verlässliche Information zur Eigenschaft des Fluids gewonnen wird.The quality factor of the resonance is helpful here, because the resulting resonance enhancement is used to amplify the acoustic signal. For this purpose, a selected resonance frequency of the measuring cell is typically used to modulate the excitation radiation, and precisely this resonance frequency is used to evaluate the acoustic signal, which is achieved, for example, using a lock-in method. However, this has the disadvantage that in the event of an unnoticed deviation from the resonance frequency, for example, due to a change in the speed of sound, the measured value and thus the information at the expected resonance frequency is subject to highly systematic errors due to the very high quality factor of the resonance, resulting in poor, unreliable information about the properties of the fluid.

Aus dem Deutschen Patent DE 10 2007 014 518 B3 und der Europäischen Patentanmeldung EP 4 019 938 A1 sind photoakustische Sensoren bekannt, die zur Erhöhung der Effizienz vorschlagen, mithilfe von Reflektoren an oder in der Zelle das eingestrahlte, monochromatische Anregungslicht mehrfach durch die Zelle zu leiten und dadurch die Signalstärke zu erhöhen. Damit lassen sich auch die Kosten für einen photoakustischen Sensor reduzieren.From the German patent DE 10 2007 014 518 B3 and the European patent application EP 4 019 938 A1 Photoacoustic sensors are known that propose to increase efficiency by using reflectors on or in the cell to pass the irradiated, monochromatic excitation light through the cell multiple times, thereby increasing the signal strength. This also reduces the cost of a photoacoustic sensor.

Die Europäische Patentanmeldung EP 4 009 035 A1 offenbart einen photoakustischen Sensor, bei dem die Anregungsstrahlung mit einem kontinuierlichen Frequenzband mithilfe eines Glühstrahlers erzeugt wird und mithilfe von optischen Elementen frequenzselektiv unterschiedlichen Bereichen des Messraums zugeführt wird, sowie mithilfe einer Mehrzahl von akustischen Sensoren, die einzelnen Erfassungspositionen im Messraum zugeordnet sind, die akustischen Signale erfasst und einer Auswertung zugeführt werden. Damit werden unterschiedliche Bereiche des Messraums stets nur mit einer einzigen Anregungsfrequenz bestrahlt. Durch die Verwendung eines Glühstrahlers gelingt es, einen preisgünstigen photoakustischen Sensor zu realisieren.The European patent application EP 4 009 035 A1 discloses a photoacoustic sensor in which the excitation radiation is generated with a continuous frequency band using an incandescent lamp and is frequency-selectively delivered to different areas of the measuring space using optical elements. Furthermore, the acoustic signals are recorded and evaluated using a plurality of acoustic sensors assigned to individual detection positions in the measuring space. Thus, different areas of the measuring space are always irradiated with only a single excitation frequency. The use of an incandescent lamp makes it possible to realize a cost-effective photoacoustic sensor.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Messgases anzugeben.The invention is based on the object of specifying a device and a method for determining a property of a measuring gas that is improved compared to the prior art.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Messgases gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved according to the invention with a device for determining a property of a measuring gas, which has the features specified in claim 1.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Messgases gelöst, welche die im Anspruch 15 angegebenen Merkmale aufweist.The object is further achieved according to the invention with a method for determining a property of a measuring gas, which has the features specified in claim 15.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels Photoakustischer Spektroskopie zeigt ein Gehäuse, das einen Messraum zur Aufnahme des Fluids umschließt. Darüber hinaus enthält es eine Strahlungsquelle, die derart ausgestaltet ist, dass sie moduliert die elektromagnetische Anregungsstrahlung für das Fluid erzeugt und direkt oder indirekt in den Messraum mit dem Fluid einstrahlt. Auch enthält sie eine Schallmesseinrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass sie von dem Fluid erzeugte Schallwellen in dem Messraum erfassen kann und an eine auswärtige Einrichtung als Schallsignal weitergeben kann. Die Steuereinrichtung steuert dabei die Strahlungsquelle so an, dass die Anregungsstrahlung mit einem Frequenzbündel, dessen Frequenzen zur Unterscheidung von den Anregungsfrequenzen im Folgenden auch Töne genannt werden, moduliert ist. Dabei ist das Frequenzbündel mit mehreren voneinander beabstandeten Frequenzen beziehungsweisen Tönen ausgebildet.The device according to the invention for determining a property of a fluid using photoacoustic spectroscopy comprises a housing enclosing a measuring chamber for accommodating the fluid. It further contains a radiation source configured to generate modulated electromagnetic excitation radiation for the fluid and radiate it directly or indirectly into the measuring chamber containing the fluid. It also includes a sound measuring device configured to detect sound waves generated by the fluid in the measuring chamber and transmit them to an external device as a sound signal. The control device controls the radiation source such that the excitation radiation is modulated with a frequency beam, the frequencies of which are also referred to as tones below to distinguish them from the excitation frequencies. The frequency beam is configured to include several spaced-apart frequencies or tones.

Die mit mehreren beabstandeten Frequenzen beziehungsweise mehrtönig modulierte Anregungsstrahlung wird dem Messraum so zugeführt, dass zumindest das Fluid in einzelnen Bereichen des Messraums mit der derart modulierten Anregungsstrahlung beaufschlagt wird. Für die Modulation kommt damit anstelle einer einzelnen Frequenz beziehungsweise eines einzelnen Tones mit der vermuteten Resonanzfrequenz hier ein Mehrfrequenzverfahren beziehungsweise Mehrtonverfahren mit einer Frequenzverteilung beziehungsweise einer Tonverteilung um die Resonanzfrequenz für die Modulation der Anregungsfrequenz zum Einsatz. Die Auswerteeinrichtung der Vorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie das erfasste Schallsignal der Schallmesseinrichtung auswerten kann, indem das Schallsignal mittels einer Fourier-Transformation vom Zeitbereich in die Frequenzdomäne transformiert wird. In der Frequenzdomäne werden nun für die Verteilung der verschiedenen angeregten Töne die jeweiligen Amplituden bestimmt und daraus eine Information über die Eigenschaft des Fluids abgeleitet. Dabei macht sich die erfindungsgemäße Vorrichtung den Umstand zunutze, dass die Anregung des Fluids mithilfe einer modulierten Anregungsstrahlung, die mit beabstandeten Frequenzen vorzugsweise um die übliche Resonanzfrequenz des Fluids in dem Messraum moduliert ist, also einem mir Frequenz- beziehungsweise Mehrtonverfahren, erfolgt. Dadurch wird stets eine Anregung insbesondere eine überhöhte Anregung des Fluids erreicht und ein ausgeprägtes Schallsignal erzeugt, auch wenn die ideale Resonanzfrequenz nicht Teil des Frequenzbündels für die Modulation ist. Verschiebungen der idealen Resonanzfrequenz des Fluids in dem Messraum sind unter anderem abhängig von der Zusammensetzung des Fluids, beispielsweise abhängig vom Maß der unterschiedlichen Feuchte eines gasförmigen Fluids, oder abhängig von der Temperatur des Fluids. Auch bei einer Mischung von verschiedenen Fluiden ergibt sich hier die Möglichkeit, von der geänderten Lage der Resonanzfrequenz auf das Mischungsverhältnis rückzuschließen. Diese Verschiebungen wirken sich durch die Anregung mit dem Frequenzbündel und durch die spezifische Auswertung unter Verwendung der Fourier-Transformation nicht mehr gravierend aus, sodass einerseits der Vorteil einer effizienten Schallsignalerzeugung durch die Anregungsstrahlung und andererseits eine einfache Einstrahlung beziehungsweise Erzeugung der modulierten Anregungsstrahlung ermöglicht ist. Dies ermöglicht eine sehr verlässliche Aussage zu der gewünschten, zu bestimmenden Eigenschaft des Fluids. Durch diese Ausbildung der Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaft eines Fluids gelingt es, eine kostengünstige Vorrichtung zu schaffen, die auf aufwändige Mechanismen zur Kompensation von Temperaturschwankungen und von Schwankungen der Reinheit des Fluids verzichten kann.The excitation radiation modulated with several spaced frequencies or multi-tones is fed into the measuring chamber in such a way that at least the fluid in individual areas of the measuring chamber is exposed to the modulated excitation radiation. For the modulation, instead of a single frequency or a single tone with the presumed resonance frequency, a multi-frequency method or multi-tone method with a frequency distribution or a tone distribution around the resonance frequency is used to modulate the excitation frequency. The evaluation unit of the device is designed such that it can evaluate the recorded sound signal from the sound measuring device by transforming the sound signal from the time domain to the frequency domain using a Fourier transformation. In the frequency domain, the respective amplitudes for the distribution of the various excited tones are determined, and information about the properties of the fluid is derived from this. The device according to the invention takes advantage of the fact that the excitation of the fluid occurs with the aid of modulated excitation radiation which is modulated at spaced frequencies, preferably around the usual resonance frequency of the fluid in the measuring chamber, i.e. a multi-frequency or multi-tone method. As a result, excitation, in particular excessive excitation of the fluid, is always achieved and a pronounced sound signal is generated, even if the ideal resonance frequency is not part of the frequency beam for the modulation. Shifts in the ideal resonance frequency of the fluid in the measuring chamber depend, among other things, on the composition of the fluid, for example, depending on the degree of varying humidity of a gaseous fluid, or depending on the temperature of the fluid. Even when different fluids are mixed, it is possible to infer the mixing ratio from the changed position of the resonance frequency. These shifts are no longer significantly affected by excitation with the frequency beam and the specific analysis using Fourier transformation, thus enabling the advantage of efficient acoustic signal generation through excitation radiation, while also enabling simple irradiation or generation of the modulated excitation radiation. This enables a very reliable determination of the desired fluid property. This design of the device for determining fluid properties makes it possible to create a cost-effective device that eliminates the need for complex mechanisms for compensating for temperature fluctuations and fluctuations in fluid purity.

Bei dem erfindungsgemäßem Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft mittels Photoakustischer Spektroskopie wird ein in einem Messraum befindliches Fluid mittels modulierter, elektromagnetischer Anregungsstrahlung für das Fluid angeregt, wobei die Modulation der Anregungsstrahlung mittels eines Frequenzbündels mit mehreren voneinander beabstandeten Frequenzen erfolgt. Mittels einer Schallmesseinrichtung werden die von dem angeregten Fluid in dem Messraum erzeugten Schallwellen als Schallsignal erfasst und das erfasste Schallsignal mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet, indem das erfasste Schallsignal einer Fourier-Transformation unterzogen wird und anschließend die Intensitätsverteilung der verschiedenen Frequenzwerte bestimmt wird. Aus der Verteilung der Amplituden der verschiedenen Frequenzwerte kann anschließend eine Information über die Eigenschaft des Fluids insbesondere die Fluidmenge, also beispielsweise der Kohlenwasserstoffgehalt in der Umgebungsluft, die Temperatur des Fluids, ein Mischungsverhältnis und/oder speziell zum Beispiel die Feuchtigkeit im Fluid, bestimmt werden. Dieses Verfahren ermöglicht eine aussagekräftige Bestimmung der Eigenschaften eines Fluids mithilfe der Photoakustischen Spektroskopie, wobei dies kostengünstig ermöglicht wird.In the method according to the invention for determining a property using photoacoustic spectroscopy, a fluid located in a measuring chamber is excited by modulated electromagnetic excitation radiation for the fluid, with the excitation radiation being modulated by a frequency beam with several spaced-apart frequencies. Using a sound measuring device, the sound waves generated by the excited fluid in the measuring chamber are recorded as a sound signal, and the recorded sound signal is evaluated by an evaluation device by subjecting the recorded sound signal to a Fourier transformation and subsequently determining the intensity distribution of the various frequency values. From the distribution of the amplitudes of the various frequency values, information about the property of the fluid, in particular the amount of fluid, for example, the hydrocarbon content in the ambient air, the temperature of the fluid, a mixing ratio, and/or specifically, for example, the humidity in the fluid, can then be determined. This method enables a meaningful determination of the properties of a fluid using photoacoustic spectroscopy, while doing so cost-effectively.

Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, dass die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass mittels einer Anpassfunktion, beispielsweise mittels einer Glockenkurve, die Verteilung der verschiedenen Frequenzwerte bestimmt wird. Durch die Verwendung einer Anpassfunktion insbesondere einer symmetrischen Anpassung wie beispielsweise einer Glockenkurve gelingt es, die Position des Maximums der Amplituden der fouriertransformierten, akustischen Frequenzen zu bestimmen und daraus eine aussagekräftige Aussage zu der zu bestimmenden Eigenschaft des Fluids insbesondere des zu untersuchenden Gases zu erhalten. Durch die Verwendung des Frequenzbündels für die Modulation in Verbindung mit der Fourier-Transformation und der Auswertung mittels einer Anpassfunktion, insbesondere der symmetrischen Anpassfunktion, gelingt es auf einfache und auch auf kostengünstige Weise, eine sehr erfolgreiche Bestimmung der Eigenschaften zu erreichen.It has proven particularly useful to further develop the device according to the invention such that the evaluation unit is designed such that the distribution of the various frequency values is determined by means of a fitting function, for example by means of a bell curve. By using a fitting function, in particular a symmetrical fitting such as a bell curve, it is possible to determine the position of the maximum of the amplitudes of the Fourier-transformed acoustic frequencies and from this to obtain a meaningful statement about the property of the fluid to be determined, in particular the gas to be examined. By using the frequency bundle for the modulation in conjunction with the Fourier transformation and the evaluation by means of a fitting function, in particular the symmetrical fitting function, it is possible to achieve a very successful determination of the properties in a simple and cost-effective manner.

In entsprechender Weise hat sich bewährt, dass die Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere Messgases, so weitergebildet wird, dass das Frequenzbündel für die Modulation mit äquidistanten Einzelfrequenzen ausgebildet ist. Durch das Vorsehen von äquidistanten Einzelfrequenzen gelingt es auf einfache und kostengünstige Weise, die Qualität der Auswertung im Hinblick auf die Eigenschaft des Fluids zu verbessern.Accordingly, it has proven useful to further develop the device for determining a property of a fluid, in particular a sample gas, such that the frequency beam is designed for modulation with equidistant individual frequencies. By providing equidistant individual frequencies, the quality of the evaluation with regard to the fluid's property can be improved in a simple and cost-effective manner.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids oder Messgases ist das Frequenzbündel für die Modulation mit Einzelfrequenzen so ausgebildet, dass die Einzelfrequenzen um die erwartete Resonanzfrequenz des Schallsignals in dem Messraum verteilt sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Einzelfrequenzen dabei gleichmäßig oder symmetrisch um die erwartete Resonanzfrequenz zu verteilen. Damit gelingt es, Einzelfrequenzen sowohl oberhalb wie auch unterhalb der erwarteten Resonanzfrequenz des Schallsignals, die aufgrund der gewählten Messanordnung zumindest ungefähr bekannt ist, zu positionieren und dadurch sicherzustellen, dass nach der Fourier-Transformation ausreichend und geeignete Stützstellen für die Auswertung der fouriertransformierten, akustischen Signale zur Verfügung stehen, um insbesondere die Lage des Maximums als besonderes Maß für die Eigenschaften des Fluids in sehr verlässlicher Weise zu bestimmen.In a further particularly preferred development of the device for determining a property of a fluid or measurement gas, the frequency beam for modulation with individual frequencies is designed such that the individual frequencies are distributed around the expected resonance frequency of the sound signal in the measuring space. It has proven particularly advantageous to distribute the individual frequencies evenly or symmetrically around the expected resonance frequency. This makes it possible to position individual frequencies both above and below the expected resonance frequency of the sound signal, which is at least approximately known due to the selected measuring arrangement, and thereby ensures that sufficient and suitable support points are available for the evaluation of the Fourier-transformed acoustic signals after the Fourier transformation, in particular in order to determine the position of the maximum as a special measure of the properties of the fluid in a very reliable manner.

Es hat sich bewährt, die Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere Messgases, so weiterzubilden, dass das Frequenzbündel für die Modulation mit einer Anzahl im Bereich von 50 bis 500 gering beabstandeten Einzelfrequenzen ausgebildet ist. Dabei ist die Anzahl der für die Modulation verwendeten Einzelfrequenzen bevorzugt gleich einer ganzzahlige Potenz von 2 und damit insbesondere gleich 32, 64, 128, 256 oder 512 gewählt. Gerade diese gewählte Anzahl an Einzelfrequenzen hat sich besonders bewährt, da die Fourier-Transformation und die anschließende Auswertung mit Hilfe eines Algorithmus zur Fast-Fourier-Transformation mit überschaubarem Rechenaufwand ausgeführt werden und somit sehr berechnungseffizient eine aussagekräftige und verlässliche Bestimmung der Eigenschaft des Fluids erreicht werden kann.It has proven useful to further develop the device for determining a property of a fluid, in particular a measurement gas, such that the frequency beam for modulation is configured with a number in the range of 50 to 500 closely spaced individual frequencies. The number of individual frequencies used for modulation is preferably selected to be an integer power of 2, and thus in particular to be 32, 64, 128, 256, or 512. This particular number of individual frequencies has proven particularly useful because the Fourier transformation and subsequent evaluation using a fast Fourier transformation algorithm are carried out with manageable computational effort, thus enabling a meaningful and reliable determination of the fluid's property to be achieved with great computational efficiency.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Messgases zeigt Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation, die sehr schmalbandig ausgebildet sind, insbesondere mit einer Halbwertsbreite unter 3 Hz, oder als monochrome und damit sinusförmige und obertonfreie Strahlung ausgebildet sind. Durch die schmalbandige Ausbildung der Einzelfrequenzen insbesondere in Form von diskreten Einzelfrequenzen gelingt es, aussagekräftige Stützstellen in dem fouriertransformierten, akustischen Signal zu schaffen und dadurch die Aussagekraft bei der Bestimmung der Eigenschaft eines Fluids zu verbessern.A particularly preferred development of the device for determining a property of a measurement gas features individual frequencies of the frequency beam for modulation that are very narrowband, in particular with a half-width of less than 3 Hz, or are designed as monochrome and thus sinusoidal and overtone-free radiation. The narrowband design of the individual frequencies, particularly in the form of discrete individual frequencies, makes it possible to create meaningful support points in the Fourier-transformed acoustic signal, thereby improving the significance of determining the property of a fluid.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine Steuereinrichtung, die so ausgebildet ist, dass die Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation sequenziell und/oder zeitgleich auf die Anregungsstrahlung moduliert werden und die modulierte Anregungsstrahlung in den Messraum eingestrahlt wird.A particularly preferred development of the invention shows a control device which is designed such that the individual frequencies of the frequency bundle for the modulation are sequentially and/or which is simultaneously modulated onto the excitation radiation and the modulated excitation radiation is radiated into the measuring room.

Das zeitgleiche Aufmodulieren der Einzelfrequenzen auf die Anregungsstrahlung mit dem Einstrahlen der modulierten Anregungsstrahlung führt zu einem schnelleren Bestimmen der gewünschten Eigenschaft des Fluids, ist aber im Aufwand zur gleichzeitigen Aufmodulation und Einstrahlen der modulierten Anregungsstrahlung in den Messraum komplexer beziehungsweise teurer.The simultaneous modulation of the individual frequencies onto the excitation radiation with the irradiation of the modulated excitation radiation leads to a faster determination of the desired property of the fluid, but is more complex and expensive in terms of the effort required for the simultaneous modulation and irradiation of the modulated excitation radiation into the measuring room.

Dagegen erweist sich die Alternative des sequenziellen Aufmodulierens von Einzelfrequenzen auf die Anregungsstrahlung mit dem nachfolgenden Einstrahlen, also das zeitliche Hintereinander Aufmodulieren und Einstrahlen der mit verschiedenen Einzelfrequenzen modulierten Anregungsstrahlung in den Messraum, die eine einfachere Vorrichtung erfordert, die aber ein Aufsummieren der Audiosignale zu einem Gesamtaudiosignal und ein nachfolgendes Auswerten des Gesamtaudiosignals erfordert, als weniger vorteilhaft, da der zeitliche Aufwand bei einfacherer Vorrichtung erhöht ist.In contrast, the alternative of sequentially modulating individual frequencies onto the excitation radiation with subsequent irradiation, i.e. the sequential modulation and irradiation of the excitation radiation modulated with different individual frequencies into the measuring room, which requires a simpler device, but which requires summing the audio signals to form an overall audio signal and subsequent evaluation of the overall audio signal, proves to be less advantageous since the time required is increased with a simpler device.

Daneben ist es auch möglich, diese beiden sequenziellen und gleichzeitigen Konzepte zu kombinieren, indem sequenziell eine Gruppe aus mehreren gleichzeitig für die Modulation verwendeten Einzelfrequenzen angewendet werden. Dies führt zu einem Kompromiss der beiden Konzepte und damit zu einem schnelleren und einfacheren Gesamtsystem.It is also possible to combine these two sequential and simultaneous concepts by sequentially applying a group of several individual frequencies simultaneously for modulation. This results in a compromise between the two concepts and thus in a faster and simpler overall system.

Dabei hat es sich besonders bewährt, die Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids so weiterzubilden, dass die Vorrichtung mit einer Zuführung für das Fluid zum Messraum mit einer Ableitung für das Fluid aus dem Messraum und mit einer Steuereinrichtung versehen ist, die die Zuführung und Ableitung so ansteuert, dass eine selektive Befüllung des Messraum mit dem Fluid ermöglicht ist. Durch diese selektive Befüllung kann die Menge des zu untersuchenden Fluids insbesondere Messgases zielgerichtet gewählt werden, sodass die Vorrichtung mit der zugehörigen Einstrahlung der mit einem Frequenzbündel modulierten Anregungsstrahlung mit zugehöriger spezifische Auswertung im optimalen Signalbereich insbesondere hinsichtlich der Qualität des akustischen Sensors geführt wird. Dadurch lässt sich die besondere Aussagekraft des Messergebnisses gewährleisten.It has proven particularly useful to further develop the device for determining a property of a fluid in such a way that the device is equipped with a supply for the fluid to the measuring chamber, a discharge for the fluid from the measuring chamber, and a control device that controls the supply and discharge in such a way that selective filling of the measuring chamber with the fluid is possible. This selective filling allows the quantity of fluid to be examined, in particular measuring gas, to be selected in a targeted manner, so that the device is guided in the optimal signal range with the associated irradiation of the excitation radiation modulated with a frequency beam, with the associated specific evaluation, particularly with regard to the quality of the acoustic sensor. This ensures the particularly meaningful measurement result.

Eine weitere, besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung insbesondere der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases zeigt eine Strahlungsquelle, die wenigstens eine Laser-Lichtquelle und/oder eine LED-Lichtquelle aufweist. Gerade diese Strahlungsquellen ermöglichen die Einstrahlung der erfindungsgemäß modulierten Strahlung zur Anregung des Fluids beziehungsweise des Messgases, was zu sehr aussagekräftigen Stützstellen in dem fouriertransformierten, akustischen Signal führt und damit die Qualität der Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids erhöht.A further, particularly preferred development of the invention, in particular of the device for determining a property of a fluid, in particular a measurement gas, features a radiation source comprising at least one laser light source and/or one LED light source. These radiation sources in particular enable the radiation modulated according to the invention to excite the fluid or the measurement gas, which leads to highly meaningful sampling points in the Fourier-transformed acoustic signal and thus increases the quality of determining a property of a fluid.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung insbesondere der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases zeigt eine Auswerteeinrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass sie aus der Amplitude der Verteilung der verschiedenen Frequenzwerte die Fluidmenge beziehungsweise die Konzentration des Fluids bestimmt. Die Amplitude, also das Maximum der Stützstellen beziehungsweise das Maximum der durch die Stützstellen bestimmten Anpassungsfunktion in dem fouriertransformierten, akustischen Signal, repräsentiert die Molekülzahl des anzuregenden Fluids in der Messkammer, was als Grundlage für die Bestimmung des Fluidanteils im Messraum oder der Dichte im Messraum verwendet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise seine Weiterbildungen gelingt es, ein sehr aussagekräftiges Ergebnis zu erreichen, ohne dass die Vorrichtung oder das Verfahren sehr komplex und teuer ausgebildet sind.A particularly preferred development of the invention, in particular of the device for determining a property of a fluid, in particular a measurement gas, features an evaluation device designed to determine the fluid quantity or the concentration of the fluid from the amplitude of the distribution of the various frequency values. The amplitude, i.e. the maximum of the support points or the maximum of the adaptation function determined by the support points in the Fourier-transformed acoustic signal, represents the number of molecules of the fluid to be excited in the measuring chamber, which can be used as a basis for determining the fluid content in the measuring space or the density in the measuring space. The device according to the invention or its developments make it possible to achieve a very meaningful result without the device or method being very complex and expensive.

Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie aus der Lage des errechneten Maximums der Verteilung der Frequenzwerte nach der Fourier-Transformation, also der momentanen Resonanzfrequenz zum Zeitpunkt der Messung, die Temperatur beziehungsweise den Feuchtigkeitsgehalt des Fluids bestimmt. Dabei hat es sich besonders bewährt, eine einzige dieser Eigenschaften zu bestimmen, was sehr verlässlich und sehr aussagekräftig ist. Daneben hat es sich auch bewährt, mittels einer Variation der Bedingungen beispielsweise durch Verändern der Temperatur des Fluids im Messraum oder alternativ durch Verändern der Feuchtigkeit auf den Einfluss der Temperatur oder der Feuchtigkeit zu schließen und dadurch die andere Eigenschaft durch Eliminierung des erfassten Einflusses besonders verlässlich und aussagekräftig zu bestimmen.It has proven particularly useful to further develop the device according to the invention such that the evaluation device is designed such that it determines the temperature or moisture content of the fluid from the position of the calculated maximum of the distribution of the frequency values after the Fourier transformation, i.e. the instantaneous resonance frequency at the time of the measurement. It has proven particularly useful to determine a single one of these properties, which is very reliable and very meaningful. In addition, it has also proven useful to infer the influence of temperature or humidity by varying the conditions, for example by changing the temperature of the fluid in the measuring chamber or alternatively by changing the humidity, and thus to determine the other property particularly reliably and meaningfully by eliminating the detected influence.

Weiterhin hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases dahingehend weiterzubilden, dass der Messraum so gewählt ist, dass seine maximale Ausdehnung abhängig von der Empfindlichkeit der Schallmessanordnung gewählt ist, wobei die maximale Ausdehnung insbesondere abhängig von der maximalen Empfindlichkeit der Schallmessanordnung gewählt ist. Durch die Form und Dimensionierung des Messraums werden die Resonanzfrequenzen des durch die Anregung des Fluids erzeugten Schalls beeinflusst, was durch diese Weiterbildung zielgerichtet genutzt wird, indem die Resonanzfrequenz des Schalls des Fluids im Messraum so gewählt ist, dass die Schallmesseinrichtung das akustische Verhalten des Fluids sehr aussagekräftig in ein Schallsignal wandeln kann. Dies ist bevorzugt immer dann der Fall, wenn die durch die Dimensionierung und durch die Form gewählte Resonanzfrequenz im Bereich des Effizienzmaximums der Schallmesseinrichtung zum Liegen kommt. Dadurch können auch kleine Änderungen des akustischen Verhaltens aufgrund des eingebrachten Fluids besonders wirksam und erfolgreich erfasst werden und dadurch die Qualität der Bestimmung der Eigenschaften des Fluids gesteigert werden.Furthermore, it has proven particularly useful to further develop the device according to the invention for determining a property of a fluid, in particular a measuring gas, in such a way that the measuring chamber is selected such that its maximum extent is selected depending on the sensitivity of the sound measuring arrangement, wherein the maximum extent is selected in particular depending on the maximum sensitivity of the sound measuring arrangement. Due to the shape and dimensions By adjusting the measuring chamber, the resonance frequencies of the sound generated by the excitation of the fluid are influenced. This development makes targeted use of this advantage by selecting the resonance frequency of the sound of the fluid in the measuring chamber so that the sound measuring device can convert the acoustic behavior of the fluid into a very meaningful sound signal. This is preferably always the case when the resonance frequency selected by the dimensions and shape lies in the range of the maximum efficiency of the sound measuring device. This allows even small changes in the acoustic behavior due to the introduced fluid to be recorded particularly effectively and successfully, thereby increasing the quality of the determination of the fluid's properties.

Weiterhin hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases dahingehend weiterzubilden, dass der Messraum so gewählt ist, dass seine Form rotationssymmetrisch insbesondere zylinderförmig oder kugelförmig ausgebildet ist. Durch diese Formgebung des Messraums lassen sich die möglichen Resonanzfrequenzen des Schallsignals, welches durch das angeregte Fluid in dem Messraum erzeugt wird, in ihrer Zahl beschränken. Dadurch können die Auswertung sowie die Modulation der Anregungsstrahlung mit dem Frequenzbündel vereinfacht werden. Auch kann ein aussagekräftigeres Schallsignal und damit auch eine aussagekräftigere Information zur Eigenschaft des Fluids gewonnen werden. Dies wird insbesondere dadurch unterstützt, dass die Anzahl der möglichen Resonanzen begrenzt und damit reduziert wird und zum andern die Güte der Resonanz durch die erhöhte Symmetrie der Form des Messraums erhöht wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung führt dies jedoch nicht zu den aus dem Stand der Technik bekannten Problemen mit dem ausgeprägten Abfall der Aussagekraft des Schallsignals, wenn die erwartete Resonanzfrequenz nicht exakt durch die Messbedingungen eingehalten wird, insbesondere bei einer Abweichung aufgrund von Veränderungen des Fluids beispielsweise durch geänderte Temperatur oder Feuchtigkeit, was sich in einer geänderten Schallgeschwindigkeit und damit in einer geänderten Resonanzfrequenz des Schallsignals niederschlägt.Furthermore, it has proven particularly useful to further develop the device according to the invention for determining a property of a fluid, in particular a measuring gas, in such a way that the measuring chamber is selected such that its shape is rotationally symmetrical, in particular cylindrical or spherical. By shaping the measuring chamber in this way, the number of possible resonance frequencies of the sound signal generated by the excited fluid in the measuring chamber can be limited. This can simplify the evaluation and modulation of the excitation radiation with the frequency beam. A more meaningful sound signal and thus more meaningful information about the property of the fluid can be obtained. This is supported in particular by limiting and thus reducing the number of possible resonances and, on the other hand, by increasing the quality of the resonance through the increased symmetry of the shape of the measuring chamber. However, the method according to the invention and the device according to the invention do not lead to the problems known from the prior art with the pronounced drop in the significance of the sound signal if the expected resonance frequency is not exactly maintained by the measuring conditions, in particular in the case of a deviation due to changes in the fluid, for example due to changes in temperature or humidity, which is reflected in a changed speed of sound and thus in a changed resonance frequency of the sound signal.

Daneben hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases so weiterzubilden, dass der Messraum so gewählt wird, dass seine maximale Ausdehnung so begrenzt ist, dass das erfasste Schallsignal im Ultraschallbereich liegt. Neben der Möglichkeit, die Form und die Dimensionierung des Messraums im Hinblick auf das Effizienzmaximum der Schallmesseinrichtung auszurichten, hat es sich auch bewährt, dies so zu realisieren, dass das erfasste Schallsignal im Ultraschallbereich und damit außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs liegt, wodurch eine Einflussnahme durch eine Vielzahl von möglichen Störsignalen verhindert ist und dadurch eine sehr aussagekräftige Bestimmung der Eigenschaft eines Fluids ermöglicht ist. Dies gilt umso mehr, wenn die Schallmesseinrichtung so gewählt ist, dass ihr Effizienzmaximum im Ultraschallbereich zum Liegen kommt und dadurch die beiden vorteilhaften Ausbildungen kombiniert werden und dadurch ein besonders aussagekräftiges Ergebnis erreicht werden kann.In addition, it has proven particularly useful to further develop the device according to the invention for determining a property of a fluid, in particular a measuring gas, in such a way that the measuring chamber is selected such that its maximum extent is limited such that the detected sound signal lies in the ultrasonic range. In addition to the possibility of aligning the shape and dimensions of the measuring chamber with regard to the maximum efficiency of the sound measuring device, it has also proven useful to implement this in such a way that the detected sound signal lies in the ultrasonic range and thus outside the audible frequency range, which prevents influence from a multitude of possible interfering signals and thus enables a very meaningful determination of the property of a fluid. This is even more true if the sound measuring device is selected such that its maximum efficiency lies in the ultrasonic range, thus combining the two advantageous designs and thus achieving a particularly meaningful result.

Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases so weiterzubilden, dass die Steuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung so ausgebildet sind, dass Messungen bei unterschiedlichen Drücken des Fluids durchgeführt werden und einzelne dieser Messungen zur Bestimmung statischer Störungen verwendet werden und zur Korrektur der Bestimmung einer Eigenschaft des Fluids verwendet werden. Beispielsweise kann durch Verändern des Drucks des zu untersuchenden Fluids im Messraum eine Aussage über den statischen Fehleranteil beziehungsweise die statischen Störungen beispielsweise durch den Einfluss der Wände des Messraums auf das Schallsignal erreicht werden, indem beispielsweise eine Extrapolation auf das Niveau des Nulldrucks beziehungsweise des nicht vorhandenen zu untersuchenden Fluids im Messraum durchgeführt wird und dieser Einfluss dann bei der Auswertung insbesondere durch Abziehen des vom Druck unabhängig generierten Störungsanteils, also zum Beispiel eines Hintergrundsignals, in den Messwerten berücksichtigt wird. Dadurch gelingt es, die Aussagekraft des Messergebnisses bei der Bestimmung der Eigenschaft eines Fluids weiter zu verbessern.It has proven particularly useful to further develop the device according to the invention for determining a property of a fluid, in particular a measuring gas, in such a way that the control device and the evaluation device are designed such that measurements are carried out at different pressures of the fluid and individual these measurements are used to determine static disturbances and to correct the determination of a property of the fluid. For example, by changing the pressure of the fluid to be examined in the measuring chamber, a statement can be made about the static error component or the static disturbances, for example due to the influence of the walls of the measuring chamber on the sound signal, by, for example, extrapolating to the level of zero pressure or of the non-existent fluid to be examined in the measuring chamber and then taking this influence into account in the evaluation, in particular by subtracting the disturbance component generated independently of the pressure, for example a background signal, from the measured values. This makes it possible to further improve the significance of the measurement result when determining the property of a fluid.

Eine weitere, besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung beziehungsweise der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases zeigt eine Temperaturkompensationseinheit, die eine Veränderung der Temperatur des Messgases in dem Messraum kompensiert. Dies kann beispielsweise durch eine geregelte Temperiereinheit, die das Fluid oder das Messgas in dem Messraum auf einer gewünschten Temperatur hält oder auch durch entsprechende nachträgliche Berücksichtigung der Einflüsse durch die Temperatur im Rahmen der Auswertung erfolgen. Da viele Eigenschaften des Messgases von der Temperatur, insbesondere von Veränderungen der Temperatur, abhängig sind, wird es durch die Temperaturkompensationseinheit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, die Qualität der Aussagen zur Eigenschaft eines Fluids insbesondere des Messgases weiter zu erhöhen.A further, particularly preferred development of the invention or of the device for determining a property of a fluid, in particular a measuring gas, features a temperature compensation unit that compensates for a change in the temperature of the measuring gas in the measuring chamber. This can be achieved, for example, by a controlled temperature control unit that keeps the fluid or the measuring gas in the measuring chamber at a desired temperature or by appropriate subsequent consideration of the influences of the temperature within the scope of the evaluation. Since many properties of the measuring gas depend on the temperature, in particular on changes in temperature, it is Device makes it possible to further increase the quality of statements about the properties of a fluid, in particular the measuring gas.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Abbildung beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist nicht auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt.

  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer beispielhaften, erfindungsgemä\ßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere eines Messgases mittels photoakustischer Spektroskopie (PAS),
  • 2 zeigt in einem schematischen, beispielhaften Diagramm die Verteilung der Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation der Anregungsstrahlung,
  • 3 zeigt in einem schematischen, beispielhaften Diagramm die Verteilung der Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation der Anregungsstrahlung, die Verteilung der akustischen Frequenzen nach der Fourier-Transformation des erfassten Schallsignals und das Verteilungsprofil dieser akustischen Frequenzen.
The invention is explained below using a preferred embodiment with reference to the figure. The invention is not limited to this preferred embodiment.
  • 1 shows in a schematic representation the structure of an exemplary device according to the invention for determining a property of a fluid, in particular a measuring gas, by means of photoacoustic spectroscopy (PAS),
  • 2 shows in a schematic, exemplary diagram the distribution of the individual frequencies of the frequency beam for the modulation of the excitation radiation,
  • 3 shows in a schematic, exemplary diagram the distribution of the individual frequencies of the frequency beam for the modulation of the excitation radiation, the distribution of the acoustic frequencies after the Fourier transformation of the recorded sound signal and the distribution profile of these acoustic frequencies.

In 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels photoakustischer Spektroskopie (PAS) 1 insbesondere eine Vorrichtung zur Bestimmung der Restfeuchte eines Messgases 1 dargestellt.In 1 A device for determining a property of a fluid by means of photoacoustic spectroscopy (PAS) 1, in particular a device for determining the residual moisture of a measuring gas 1, is shown schematically.

Die Vorrichtung 1 ist mit einem Gehäuse 2 versehen, in dem ein Messraum 3 zur Aufnahme des zu untersuchenden Fluids insbesondere des Messgases angeordnet ist.The device 1 is provided with a housing 2 in which a measuring chamber 3 is arranged for receiving the fluid to be examined, in particular the measuring gas.

Der Messraum 3 ist mit einer steuerbaren Zuleitung 10 für das gesteuerte Zuführen des Fluids insbesondere des Messgases zu dem Messraum 3 sowie eine steuerbare Ableitung 11 für das gesteuerte Ableiten des Fluids insbesondere des Messgases aus dem Messraum 3 versehen.The measuring chamber 3 is provided with a controllable supply line 10 for the controlled supply of the fluid, in particular the measuring gas, to the measuring chamber 3 and a controllable discharge line 11 for the controlled discharge of the fluid, in particular the measuring gas, from the measuring chamber 3.

Der Messraum 3 zeigt eine rotationssymmetrische Form, nämlich eine zylinderförmige Gestalt. Diese zylinderförmige Gestalt hat massiven Einfluss auf die Resonanzeigenschaften des Messraums 3, denn die Form und die Ausdehnungen dieses zylinderförmigen Messraums 3 führen dazu, dass die Vielzahl von möglichen akustischen Resonanzfrequenzen eines in dem Messraum 3 befindlichen zu untersuchenden Fluids stark begrenzt werden. Zudem zeichnen sich die verbleibenden Resonanzfrequenzen insbesondere die durch die Rotationsymmetrie bedingte Resonanzfrequenz durch eine hohe Güte aus. Eine hohe Güte geht einerseits mit einer vorteilhaften, hohen Amplitude und damit einer hohen Effizienz einher. Andererseits führt bei einer hohen Güte ein Abweichen von der Resonanzfrequenz zu einem enormen Abfall des zugehörigen Frequenzwertes und damit zu einer wesentlichen Verschlechterung der Aussagekraft des Frequenzwertes. Die akustischen Resonanzfrequenzen sind ein Resultat der Schallgeschwindigkeit des Fluids in dem Messraum 3 und der freien Weglängen in dem Messraum 3, weshalb durch die Wahl der Form und der Ausdehnung des Messraums 3 die Möglichkeit besteht, Einfluss auf die akustischen Resonanzfrequenzen des Fluids in dem Messraum 3 zu nehmen. Dabei muss jeweils die relevante Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Fluids berücksichtigt werden, die unter anderem von der Temperatur, vom Druck, von der Art des Fluids und vom Zustand des Fluids (Verunreinigungen insbesondere durch Feuchtigkeit) abhängt.The measuring chamber 3 has a rotationally symmetrical shape, namely a cylinder. This cylindrical shape has a massive influence on the resonance properties of the measuring chamber 3, because the shape and dimensions of this cylindrical measuring chamber 3 lead to a severe limitation of the multitude of possible acoustic resonance frequencies of a fluid to be examined in the measuring chamber 3. Furthermore, the remaining resonance frequencies, in particular the resonance frequency caused by the rotational symmetry, are characterized by a high quality factor. On the one hand, a high quality factor is associated with an advantageous, high amplitude and thus high efficiency. On the other hand, with a high quality factor, a deviation from the resonance frequency leads to a huge drop in the associated frequency value and thus to a significant deterioration in the meaningfulness of the frequency value. The acoustic resonance frequencies are a result of the sound velocity of the fluid in the measuring chamber 3 and the free path lengths in the measuring chamber 3. Therefore, by selecting the shape and dimensions of the measuring chamber 3, it is possible to influence the acoustic resonance frequencies of the fluid in the measuring chamber 3. In doing so, the relevant sound velocity of the fluid to be examined must be taken into account, which depends, among other things, on the temperature, pressure, type of fluid, and the condition of the fluid (contamination, particularly due to moisture).

Das Gehäuse 2 mit dem Messraum 3 ist mit einer Strahlungsquelle 4 für die Erzeugung einer modulierten, elektromagnetischen Anregungsstrahlung für das Fluid verbunden, wobei die Strahlungsquelle 4 so angeordnet ist, dass sie die Anregungsstrahlung in den Messraum 3 für das zu untersuchende Fluid insbesondere für das zu untersuchende Messgas einstrahlt. Die eingestrahlte Anregungsstrahlung ist dabei in ihrer Frequenz so gewählt, dass sie das zu untersuchende Fluid selektiv anregt und zu einer Erwärmung des Fluids führt. Aufgrund der Modulation und der Dauer der Einstrahlung der Anregungsstrahlung wird das zu untersuchende Fluid stark erwärmt, was zu einem Entstehen einer Druck- oder Schallwelle in dem Messraum 3 führt.The housing 2 with the measuring chamber 3 is connected to a radiation source 4 for generating modulated, electromagnetic excitation radiation for the fluid. The radiation source 4 is arranged such that it radiates the excitation radiation into the measuring chamber 3 for the fluid to be examined, in particular for the measuring gas to be examined. The frequency of the radiated excitation radiation is selected such that it selectively excites the fluid to be examined and leads to heating of the fluid. Due to the modulation and the duration of the irradiation of the excitation radiation, the fluid to be examined is heated considerably, which leads to the creation of a pressure or sound wave in the measuring chamber 3.

Das Gehäuse 2 mit dem Messraum 3 ist darüber hinaus mit einer Schallmesseinrichtung 5 verbunden, die geeignet und dafür vorgesehen ist, eine im Messraum 3 von dem angeregten Fluid gebildete Druck- oder Schallwelle akustisch zu erfassen und einer Auswerteeinheit 6 in Form eines Schallsignals insbesondere eines elektrischen Schallsignals zuzuführen.The housing 2 with the measuring chamber 3 is further connected to a sound measuring device 5, which is suitable and intended to acoustically detect a pressure or sound wave formed in the measuring chamber 3 by the excited fluid and to supply it to an evaluation unit 6 in the form of a sound signal, in particular an electrical sound signal.

Die Auswerteeinrichtung 6 wertet das von der Schallmesseinrichtung 5 erfasste Schallsignal aus, indem das Schallsignal einer Fourier-Transformation unterzogen wird und daraus die Verteilung der Frequenzwerte des Schallsignals bestimmt wird und daraus mithilfe einer Anpassfunktion insbesondere die Lage des Maximums der Verteilung der Frequenzwerte sowie die Amplitude der Verteilung der Frequenz extrapoliert beziehungsweise bestimmt werden. Aus der Verteilung insbesondere der Lage des Maximums beziehungsweise dessen Amplitude kann auf verschiedene Eigenschaften des Fluids insbesondere auf den Feuchtigkeitsgehalt des Messgases in dem Messraum 3 geschlossen werden.The evaluation device 6 evaluates the sound signal detected by the sound measuring device 5 by subjecting the sound signal to a Fourier transformation, from which the distribution of the frequency values of the sound signal is determined. From this, the position of the maximum of the distribution of the frequency values and the amplitude of the frequency distribution are extrapolated or determined using a fitting function. From the distribution, in particular the position of the maximum or its amplitude, conclusions can be drawn about various properties of the fluid, in particular the moisture content of the measuring gas in the measuring chamber 3.

Die Vorrichtung 1 enthält weiterhin eine Steuereinrichtung 7, die über eine Steuerleitung 7a die Strahlungsquelle 4 so ansteuert, dass die Modulation der Anregungsstrahlung mithilfe eines Frequenzbündels aus mehreren voneinander beabstandeten Einzelfrequenzen erfolgt. Über weitere Steuerleitungen 7a steuert die Steuereinrichtung 7 die Zuleitung 10 wie auch die Ableitung 11, indem das jeweilige zugeordnete Steuerventil zielgerichtet geöffnet oder geschlossen wird und dadurch eine zielgerichtete Zuführung oder Ableitung des Fluids beziehungsweise des Messgases aus dem Messraum 3 ermöglicht wird. Weiterhin kann die Steuereinrichtung 7 die Schallmesseinrichtung 5 beziehungsweise die Auswerteeinrichtung 6 zielgerichtet ansteuern und diese dadurch in ihrer Funktion beeinflussen.The device 1 further includes a control device 7, which controls the radiation source 4 via a control line 7a such that the excitation radiation is modulated using a frequency beam comprising several spaced-apart individual frequencies. Via further control lines 7a, the control device 7 controls the supply line 10 and the discharge line 11 by selectively opening or closing the respective associated control valve, thereby enabling a targeted supply or discharge of the fluid or the measurement gas from the measuring chamber 3. Furthermore, the control device 7 can selectively control the sound measuring device 5 or the evaluation device 6, thereby influencing their function.

In 2 ist in einem schematischen Diagramm eine beispielhafte Verteilung der Einzelfrequenzen eines Frequenzbündels, das für die Modulation der Anregungsstrahlung verwendet wird, dargestellt. In dem dargestellten Beispiel werden im Frequenzbereich zwischen 1450 Hz und 1500 Hz äquidistante Einzelfrequenzen realisiert, die jeweils einen Abstand zueinander von wenigen Hertz aufweisen. Bei der Bestimmung der Einzelfrequenzen für die Modulation der Anregungsstrahlung mithilfe der Strahlungsquelle 4 wurde zuerst anhand der Form und der Abmessungen des Messraums 3 in Kenntnis des zu untersuchenden Fluids eine erwartete Resonanzfrequenz bestimmt, wobei bevorzugt die erwartete Resonanzfrequenz gewählt wird, die die beste Güte und damit die beste Effizienz erwarten lässt. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Resonanzfrequenz bei etwa 1475 Hz errechnet, um den Feuchtigkeitsgehalt in Toluol zu bestimmen.In 2 A schematic diagram shows an example distribution of the individual frequencies of a frequency beam used to modulate the excitation radiation. In the example shown, equidistant individual frequencies are realized in the frequency range between 1450 Hz and 1500 Hz, each of which is separated by a few Hertz. In determining the individual frequencies for modulating the excitation radiation using the radiation source 4, an expected resonance frequency was first determined based on the shape and dimensions of the measuring chamber 3 and with knowledge of the fluid to be tested. Preferably, the expected resonance frequency is selected that promises the best quality and thus the best efficiency. In the present example, a resonance frequency of approximately 1475 Hz was calculated to determine the moisture content in toluene.

Entsprechend der erwarteten Resonanzfrequenz wurden die Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation symmetrisch um diese angeordnet, sodass die Einzelfrequenzen im Bereich zwischen 1450 Hz und 1500 Hz gewählt wurden. Entsprechend liegen etwa gleich viele Einzelfrequenzen unterhalb der erwarteten Resonanzfrequenz wie Einzelfrequenzen oberhalb dieser erwarteten Resonanzfrequenz liegen. Dies führt dazu, dass das erzeugte Schallsignal nach der Fourier-Transformation etwa gleich viel Stützstellen unterhalb der erwarteten Resonanzfrequenz zeigt wie oberhalb und daher das Bestimmen des Verlaufs der Resonanzkurve mithilfe einer Anpassfunktion besonders verlässlich und aussagekräftig ermöglicht ist.In accordance with the expected resonant frequency, the individual frequencies of the frequency beam for modulation were arranged symmetrically around it, so that the individual frequencies were selected in the range between 1450 Hz and 1500 Hz. Accordingly, approximately the same number of individual frequencies lie below the expected resonant frequency as there are individual frequencies above it. This means that the generated sound signal, after the Fourier transformation, displays approximately the same number of support points below the expected resonant frequency as above it, thus enabling the determination of the resonance curve shape using a fitting function to be particularly reliable and meaningful.

Über eine inverse Fourier-Transformation mit passender Auflösung werden diese Einzelfrequenzen des Frequenzbündels in den Zeitbereich übersetzt, wodurch mathematisch das Signal einer Schwebung eines Frequenzgemisches entsteht, das in der Spektroskopie als Interferogramm bezeichnet wird. Dieses Interferogramm repräsentiert alle Einzelfrequenzen des Frequenzbündels und wird in der Strahlungsquelle 4 mithilfe eines Modulators der Anregungsstrahlung aufmoduliert. Dadurch werden alle Einzelfrequenzen des Frequenzbündels gleichzeitig durch Modulation der Anregungsstrahlung überlagert. Die modulierte Anregungsstrahlung wird dann in dem Messraum 3 der Vorrichtung 1 dem zu untersuchenden Fluid insbesondere dem Messgas zugeführt. Durch die Anregungsstrahlung werden die Moleküle des Fluids beziehungsweise des Messgases angeregt. Abhängig von der geometrischen Ausdehnung beziehungsweise der Form der Messzelle 3 sowie als Funktion der Temperatur des Fluids beziehungsweise des Feuchtigkeitsgehalts des Fluids in dem Messraum 3 stellen sich die Amplituden der jeweiligen Frequenzen des entstehenden akustischen Signals im Messraum 3 selektiv ein. Dabei sind das akustische Resonanzprofil des Messraums 3 und die Eigenschaften des Fluids in dem Messraum 3 entscheidend für die sich bildenden Frequenzen des akustischen Signals, das durch das angeregte Fluid erzeugt und mittels der Schallmesseinrichtung 5 erfasst wird. Dabei erfasst die Schallmesseinrichtung 5 alle Frequenzen des akustischen Signals des Fluids gleichzeitig, zumindest soweit diese Frequenzen im Empfangsbereich der Schallmesseinrichtung liegen. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass die Erfassung der Frequenzen des akustischen Signals durch die Schallmesseinrichtung 5 zeitgleich mit der Einstrahlung der modulierten Anregungsstrahlung erfolgen kann.Using an inverse Fourier transformation with appropriate resolution, these individual frequencies of the frequency beam are translated into the time domain, mathematically creating the signal of a beat of a frequency mixture, which in spectroscopy is referred to as an interferogram. This interferogram represents all individual frequencies of the frequency beam and is modulated in the radiation source 4 using a modulator of the excitation radiation. As a result, all individual frequencies of the frequency beam are simultaneously superimposed by modulation of the excitation radiation. The modulated excitation radiation is then fed to the fluid to be examined, in particular the measurement gas, in the measuring chamber 3 of the device 1. The excitation radiation excites the molecules of the fluid or the measurement gas. Depending on the geometric extent or shape of the measuring cell 3, as well as as a function of the temperature of the fluid or the moisture content of the fluid in the measuring chamber 3, the amplitudes of the respective frequencies of the resulting acoustic signal in the measuring chamber 3 are selectively adjusted. The acoustic resonance profile of the measuring chamber 3 and the properties of the fluid in the measuring chamber 3 are crucial for the resulting frequencies of the acoustic signal generated by the excited fluid and detected by the sound measuring device 5. The sound measuring device 5 detects all frequencies of the fluid's acoustic signal simultaneously, at least as long as these frequencies are within the reception range of the sound measuring device. It proves particularly advantageous that the sound measuring device 5 can detect the frequencies of the acoustic signal simultaneously with the irradiation of the modulated excitation radiation.

Das erfasste Schallsignal wird mithilfe der Auswerteinrichtung 6 mithilfe einer Fourier-Transformation in den Frequenzraum transformiert. Da die Modulation der Anregungsstrahlung mit den spezifischen Einzelfrequenzen erfolgt ist, ergeben sich bei der Fourier-Transformation in den Frequenzraum einzelne Amplitudenwerte zu den Einzelfrequenzen, die als Frequenzwerte in 3 dargestellt sind. Jeden dieser Amplitudenwerte der Einzelfrequenzen des Akustiksignals ist die zugehörige Einzelfrequenz für die Modulation der Anregungsstrahlung zugeordnet. Dabei zeigt sich, dass mit größerem Frequenzabstand zu der erwarteten Resonanzfrequenz beziehungsweise zu der tatsächlichen Resonanzfrequenz der Amplitudenwert des Akustiksignals deutlich abfällt, was ein Maß der Güte des Resonanzverlaufs darstellt. Auch kann durch Bestimmen der Halbwertsbreite oder einer vergleichbaren Eigenschaft des Anpassprofils auf die Güte der Resonanz aus der Messung geschlossen werden und bei einer Änderung der Güte zum Beispiel auf eine potentielle Verunreinigung der Zelle geschlossen werden.The recorded sound signal is transformed into the frequency domain using a Fourier transformation by the evaluation device 6. Since the modulation of the excitation radiation has been carried out with the specific individual frequencies, the Fourier transformation into the frequency domain results in individual amplitude values for the individual frequencies, which are stored as frequency values in 3 are shown. Each of these amplitude values of the individual frequencies of the acoustic signal is assigned the corresponding individual frequency for the modulation of the excitation radiation. It can be seen that with greater frequency separation from the expected resonance frequency or the actual resonance frequency, the amplitude value of the acoustic signal drops significantly, which represents a measure of the quality of the resonance curve. By determining the half-width or a comparable property of the matching profile, the quality of the resonance can be deduced from the measurement. If the quality changes, for example, a conclusion can be drawn about potential contamination of the cell.

Da der typische Verlauf einer Resonanzkurve bekannt ist, ist es möglich, mithilfe einer Annäherungsfunktion den Verlauf der Resonanzkurve anhand der verschiedenen Amplitudenwerte zu den einzelnen Einzelfrequenzen des Akustiksignals zu bestimmen und anhand des Verlaufs die Amplitude und insbesondere die Resonanzfrequenz des Amplitudenwerts zu berechnen. Diese Amplitude beziehungsweise die berechnete Resonanzfrequenz bilden die Grundlage für die Bestimmung verschiedener Eigenschaften des Fluids beziehungsweise des Messgases.Since the typical course of a resonance curve is known, it is possible to use an approximation function to determine the course of the resonance curve to determine the individual frequencies of the acoustic signal based on the various amplitude values and to calculate the amplitude and, in particular, the resonance frequency of the amplitude value based on the curve. This amplitude or the calculated resonance frequency forms the basis for determining various properties of the fluid or the measuring gas.

Beispielsweise kann über entsprechende Kalibriertabellen die Menge des Fluids in der Messkammer, die anteilige Menge des Messgases in einem Fluid in der Messkammer, der Wassergehalt in einem Fluid in der Messkammer beispielsweise in Toluol in der Messkammer oder auch die Temperatur oder Dichteänderungen des Fluids in der Messkammer aus diesen berechneten Informationen bestimmt werden.For example, the amount of fluid in the measuring chamber, the proportional amount of the measuring gas in a fluid in the measuring chamber, the water content in a fluid in the measuring chamber, for example in toluene in the measuring chamber, or even the temperature or density changes of the fluid in the measuring chamber can be determined from this calculated information using appropriate calibration tables.

Es hat sich dabei besonders bewährt, dass als Annäherungsfunktion eine typische Glockenkurve oder auch eine Anpassung nach dem Levenberg-Marquardt-Verfahren angewendet werden kann.It has proven particularly useful to use a typical bell curve or an adjustment according to the Levenberg-Marquardt method as an approximation function.

Der in 3 dargestellte Verlauf der Resonanzkurve ist dabei mithilfe einer Anpassung nach dem Levenberg-Marquardt-Verfahren ermittelt worden. In diesem Fall hat sich eine Amplitude von 0,84 bei einer Resonanzfrequenz von 1479,5 Hz ergeben. Aus diesen Werten ergibt sich beispielsweise eine Konzentration von 3,7 ppm (Vol.) von Toluol in Luft.The 3 The resonance curve shown was determined using a Levenberg-Marquardt fitting. In this case, an amplitude of 0.84 was obtained at a resonance frequency of 1479.5 Hz. These values, for example, yield a concentration of 3.7 ppm (vol.) of toluene in air.

Da die Amplitude beziehungsweise die Resonanzfrequenz mithilfe einer Annäherungsfunktion auf mathematischem Wege bestimmt wird, ohne dass eine Modulation mit exakt der Resonanzfrequenz erfolgt sein muss, wird durch diese Erfindung eine Vorrichtung 1 und ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels Photoakustischer Spektroskopie (PAS) ermöglicht, die sich als besonders einfach und zudem als sehr aussagekräftig erweisen. Insbesondere ist ein stetes Überprüfen der tatsächlichen Lage der Resonanzfrequenz nicht notwendig, auch ist ein Nachführen der Modulationsfrequenzen oder der Modulationsfrequenz an geänderte Bedingungen des Fluids durch diese erfindungsgemäße Realisierung entbehrlich, was den Aufwand für die Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids sehr vereinfacht. Since the amplitude or the resonance frequency is determined mathematically using an approximation function without the need for modulation with the exact resonance frequency, this invention enables a device 1 and a method for determining a property of a fluid using photoacoustic spectroscopy (PAS), which prove to be particularly simple and also very informative. In particular, constant checking of the actual position of the resonance frequency is not necessary, and adjusting the modulation frequencies or the modulation frequency to changing fluid conditions is also unnecessary thanks to this inventive implementation, which greatly simplifies the effort required to determine a fluid property.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere eines Messgases mittels photoakustischer Spektroskopie (PAS)Device for determining a property of a fluid, in particular a measuring gas, by means of photoacoustic spectroscopy (PAS)
22
Gehäuse der VorrichtungHousing of the device
33
Messraum für das zu messende MessgasMeasuring chamber for the gas to be measured
44
StrahlungsquelleRadiation source
55
SchallmesseinrichtungSound measuring device
66
AuswerteeinrichtungEvaluation device
77
SteuereinrichtungControl device
7a7a
Steuerleitungcontrol line
1010
Zuleitung für das Fluid in den MessraumSupply line for the fluid into the measuring room
1111
Ableitung für das Fluid aus dem MessraumDerivation for the fluid from the measuring chamber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10 2007 014 518 B3 [0008]DE 10 2007 014 518 B3 [0008]
  • EP 4 019 938 A1 [0008]EP 4 019 938 A1 [0008]
  • EP 4 009 035 A1 [0009]EP 4 009 035 A1 [0009]

Claims (16)

Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) mittels Photoakustischer Spektroskopie (PAS) mit einem Gehäuse (2), das einen Messraum (3) zur Aufnahme des Fluids umschließt, mit einer Strahlungsquelle (4), die derart ausgestaltet ist, dass sie moduliert eine elektromagnetische Anregungsstrahlung für das Fluid erzeugt und in den Messraum (3) mit dem Fluid einstrahlt, mit einer Schallmesseinrichtung (5), die derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Messraum (3) von dem Fluid erzeugte Schallwellen erfassen kann, mit einer Steuereinrichtung (7), die die Strahlungsquelle (4) so ansteuert, dass die Modulation der Anregungsstrahlung mit einem Frequenzbündel mit mehreren voneinander beabstandeten Einzelfrequenzen erfolgt, und mit einer Auswerteeinrichtung (6), die derart ausgestaltet ist, dass sie das erfasste Schallsignal der Schallmesseinrichtung (5) auswertet, indem die Verteilung der verschiedenen Frequenzwerte mittels einer Fourier-Transformation des Signals bestimmt wird und daraus eine Information über die Eigenschaft des Fluids bestimmt wird. A device for determining a property of a fluid (1) using photoacoustic spectroscopy (PAS), comprising a housing (2) enclosing a measuring chamber (3) for accommodating the fluid, a radiation source (4) configured to generate modulated electromagnetic excitation radiation for the fluid and radiate it into the measuring chamber (3) containing the fluid, a sound measuring device (5) configured to detect sound waves generated by the fluid in the measuring chamber (3), a control device (7) controlling the radiation source (4) such that the excitation radiation is modulated with a frequency beam comprising a plurality of spaced-apart individual frequencies, and an evaluation device (6) configured to evaluate the detected sound signal of the sound measuring device (5) by determining the distribution of the various frequency values using a Fourier transformation of the signal, and from this, information about the property of the fluid is determined. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass mittels einer Anpassfunktion beispielsweise mittels einer Glockenkurve die Verteilung der verschiedenen Frequenzwerte bestimmt wird.Device for determining a property of a fluid (1) according to Claim 1 , wherein the evaluation device (6) is designed such that the distribution of the different frequency values is determined by means of an adaptation function, for example by means of a bell curve. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Frequenzbündel für die Modulation mit äquidistanten Einzelfrequenzen ausgebildet ist.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 2 , whereby the frequency bundle is designed for modulation with equidistant individual frequencies. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Frequenzbündel mit Einzelfrequenzen ausgebildet ist, die um die erwartete Resonanzfrequenz des Schallsignals, insbesondere gleichmäßig oder symmetrisch um die erwartete Resonanzfrequenz verteilt sind.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the frequency beam is formed with individual frequencies which are distributed around the expected resonance frequency of the sound signal, in particular uniformly or symmetrically around the expected resonance frequency. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Frequenzbündel für die Modulation mit 50 bis 500 Einzelfrequenzen insbesondere mit einer ganzzahligen Zweierpotenz an Einzelfrequenzen ausgebildet ist.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the frequency bundle is designed for modulation with 50 to 500 individual frequencies, in particular with an integer power of two of individual frequencies. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation sehr schmalbandig sind, insbesondere mit einer Halbwertsbreite unter 3 Hz ausgebildet sind.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 5 , whereby the individual frequencies of the frequency bundle for the modulation are very narrowband, in particular with a half-width of less than 3 Hz. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Steuereinrichtung (7) so ausgebildet ist, dass die Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation sequenziell und/oder zeitgleich aufmoduliert werden.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 6 , wherein a control device (7) is designed such that the individual frequencies of the frequency bundle are modulated sequentially and/or simultaneously for the modulation. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung mit einer Zuleitung (10) für das Fluid zum Messraum (3), mit einer Ableitung (11) für das Fluid aus dem Messraum (3) und mit einer Steuereinrichtung (7) versehen ist, die die Zuleitung (10) und Ableitung (11) so ansteuert, dass eine selektive Befüllung des Messraums (3) mit dem Fluid ermöglicht ist.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 7 , wherein the device is provided with a supply line (10) for the fluid to the measuring chamber (3), with a discharge line (11) for the fluid from the measuring chamber (3) and with a control device (7) which controls the supply line (10) and discharge line (11) in such a way that a selective filling of the measuring chamber (3) with the fluid is possible. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strahlungsquelle (4) wenigstens eine Laser-Lichtquelle und/oder eine LED-Lichtquelle aufweist.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 8 , wherein the radiation source (4) comprises at least one laser light source and/or one LED light source. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auswerteeinrichtung (6) derart ausgestaltet ist, dass sie aus den Amplituden der Verteilung der verschiedenen Frequenzwerte die Fluidmenge bestimmt.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 9 , wherein the evaluation device (6) is designed such that it determines the amount of fluid from the amplitudes of the distribution of the various frequency values. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Auswerteeinrichtung (6) derart ausgestaltet ist, dass sie aus der Lage des Maximums der Verteilung der verschiedenen Frequenzwerte die Temperatur, die Dichte, beziehungsweise den Feuchtigkeitsgehalt des Fluids bestimmt.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 10 , wherein the evaluation device (6) is designed such that it determines the temperature, the density or the moisture content of the fluid from the position of the maximum of the distribution of the various frequency values. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Messraum (3) so gewählt ist, dass seine maximale Ausdehnung abhängig von der Empfindlichkeit der Schallmesseinrichtung (5) gewählt ist, wobei die maximale Ausdehnung insbesondere abhängig von der maximalen Empfindlichkeit der Schallmesseinrichtung (5) gewählt ist.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 11 , wherein the measuring space (3) is selected such that its maximum extent is selected depending on the sensitivity of the sound measuring device (5), wherein the maximum extent is selected in particular depending on the maximum sensitivity of the sound measuring device (5). Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Messraum (3) so gewählt ist, dass seine Form rotationssymmetrisch insbesondere zylinderförmig oder kugelförmig ausgebildet ist.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 12 , wherein the measuring chamber (3) is selected such that its shape is rotationally symmetrical, in particular cylindrical or spherical. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Messraum (3) so gewählt ist, dass seine maximale Ausdehnung so begrenzt ist, dass das erfasste Schallsignal im Ultraschallbereich liegt.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 13 , wherein the measuring space (3) is selected such that its maximum extent is limited such that the detected sound signal lies in the ultrasonic range. Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Steuereinrichtung (7) und die Auswerteeinrichtung (6) so ausgebildet sind, dass Messungen bei unterschiedlichen Drücken des Fluids im Messraum (3) durchgeführt werden und einzelne dieser Messungen zur Bestimmung druckunabhängiger Störungen verwendet werden und zur Korrektur der Bestimmung einer Eigenschaft des Fluids verwendet werden können.Device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 14 , wherein the control device (7) and the evaluation device (6) are designed such that measurements are carried out at different pressures of the fluid in the measuring chamber (3) and individual ones of these measurements are used to determine pressure-independent disturbances and can be used to correct the determination of a property of the fluid. Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels Photoakustischer Spektroskopie (PAS) insbesondere mittels einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei mittels einer Strahlungsquelle (4) ein in einem Messraum (3) befindliches Fluid mittels modulierter, elektromagnetischer Anregungsstrahlung für das Fluid angeregt wird, wobei die Anregungsstrahlung mittels eines Frequenzbündels mit mehreren voneinander beabstandeten Frequenzen moduliert ist, wobei mittels einer Schallmesseinrichtung (5) die von dem Fluid in dem Messraum (3) erzeugten Schallwellen als Schallsignal erfasst werden und wobei das erfasste Schallsignal mittels einer Auswerteeinrichtung (6) ausgewertet wird, indem das erfasste Schallsignal einer Fourier-Transformation unterzogen wird, anschließend die Verteilung der verschiedenen Frequenzen bestimmt wird und daraus eine Information über die Eigenschaft des Fluids insbesondere die Fluidmenge, die Temperatur, die Dichte des Fluids und/oder der Feuchtigkeitsgehalt im Fluid bestimmt wird.Method for determining a property of a fluid by means of photoacoustic spectroscopy (PAS), in particular by means of a device for determining a property of a fluid (1) according to one of the Claims 1 until 15 , wherein a fluid located in a measuring chamber (3) is excited by means of a radiation source (4) by means of modulated, electromagnetic excitation radiation for the fluid, wherein the excitation radiation is modulated by means of a frequency bundle with a plurality of spaced-apart frequencies, wherein the sound waves generated by the fluid in the measuring chamber (3) are detected as a sound signal by means of a sound measuring device (5), and wherein the detected sound signal is evaluated by means of an evaluation device (6) in that the detected sound signal is subjected to a Fourier transformation, the distribution of the various frequencies is then determined, and from this information about the property of the fluid, in particular the amount of fluid, the temperature, the density of the fluid and/or the moisture content in the fluid, is determined.
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