DE102009010797B4

DE102009010797B4 - Anordnung zur Überwachung eines gasführenden Systems auf Leckage

Info

Publication number: DE102009010797B4
Application number: DE102009010797.5A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bitter; Dr. Heffels Camiel; Thomas Hörner; Markus Nicklas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2029-02-28
Also published as: DE102009010797A1

Abstract

Anordnung zur Überwachung eines gasführenden Systems (1) auf Leckage mit einem nichtdispersiven Infrarot-(NDIR-)Gasanalysator (6) in Zweistrahl-Ausführung, der eine in einen Leitungsweg (24) eines Gaseinlasses (2) des gasführenden Systems (1) eingefügte und von dem in das System (1) eingeleiteten Gas (4) durchströmte erste Küvette (10) und eine in einen Leitungsweg (25) eines Gasauslasses (3) des Systems (1) eingefügte und von dem aus dem System (1) herausgeleiteten Gas (4) durchströmte zweite Küvette (11) aufweist, wobei jede der beiden Küvetten (10, 11) von jeweils einem der beiden Strahlen durchstrahlt wird, und mit einer dem Gasanalysator (6) nachgeordneten Auswerteeinrichtung (21), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Abweichung der Gaszusammensetzung in der zweiten Küvette (11) von der in der ersten Küvette (10) ein eine Leckage in dem gasführenden System (1) anzeigendes Ausgangssignal (22) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung eines gasführenden Systems auf Leckage mit einem nichtdispersiven Infrarot-(NDIR-)Gasanalysator.
Bei einer derartigen aus der US 5 889 199 A bekannten Anordnung wird mittels einer Sonde Luft aus der Umgebung eines ein Testgas enthaltenden Systems durch die Messküvette eines NDIR-Gasanalysator hindurch abgesaugt und auf Spuren des Testgases analysiert.
Aus der DE 1 065 637 B ist es bekannt, zwei Gasproben miteinander zu vergleichen, indem zwei Gasanalysatoren verwendet werden und eine der Proben dem einen und die andere Probe dem anderen Gasanalysator zugeführt wird, oder beide Proben nacheinander in ein und demselben Gasanalysator untersucht werden oder ein nichtdispersiver Infrarot-(NDIR-)Gasanalysator in Zweistrahl-Ausführung verwendet wird, der eine erste Küvette zur Einleitung der einen Probe und eine zweite Küvette zur Einleitung der anderen Probe aufweist, wobei jede der beiden Küvetten von jeweils einem der beiden Strahlen durchstrahlt wird, und mit einer dem Gasanalysator nachgeordneten Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Abweichung der Gaszusammensetzung in der zweiten Küvette von der in der ersten Küvette ein eine Leckage in dem gasführenden System anzeigendes Ausgangssignal zu erzeugen.
Eine aus der EP 0 423 488 B1 bekannte Anordnung dient zur simultanen Bestimmung der Konzentration einer Komponente eines Messgases vor und nach dessen Durchgang durch einen konzentrationsverändernden Reaktor. Die bekannte Anordnung weist einen NDIR-Gasanalysator in Einstrahl-Ausführung mit zwei hintereinander liegenden Messküvetten auf, von denen die erste Küvette über ein Umschaltventil an einer von dem Gaseinlass des Reaktors abzweigenden Gasleitung und die zweite Küvette ebenfalls über ein Umschaltventil an einer von dem Gasauslass des Reaktors abzweigenden Gasleitung angeschlossen ist. In einem ersten Schritt wird ein Teil des in den Reaktor eingeleiten Gases in die erste Küvette und ein Teil des aus dem Reaktor austretenden Gases in die zweite Küvette abgezweigt, so dass der NDIR-Gasanalysator die Summe der Konzentrationen der Messgaskomponenten in beiden Küvetten erfasst. In einem zweiten Schritt wird eine, z. B. die erste, der Neiden Küvetten über das zugeordnete Umschaltventil mit einem nichtabsorbierenden Spülgas gespült, so dass der NDIR-Gasanalysator nur die Konzentration der Messgaskomponente in der anderen, z. B. zweiten, Küvette erfasst. Eine dem NDIR-Gasanalysator nachgeordnete Auswerteeinrichtung speichert die in dem ersten Schritt erfasste Summe der Konzentrationen und subtrahiert davon die in dem zweiten Schritt in der zweiten Küvette erfasste Konzentration, so dass als Ausgangswert die Konzentration der Messgaskomponente in der ersten Küvette erhalten wird.
In der EP 0 423 488 B1 wird auch die Möglichkeit erwähnt, zwei NDIR-Gasanalysatoren zu verwenden, von denen der eine Gasanalysator die Konzentration der Messgaskomponente des in den Reaktor eingeleiteten und der andere Gasanalysator die Konzentration der Messgaskomponente des aus dem Reaktor herausgeleiteten Gases ermittelt.
NDIR-Gasanalysatoren sind in Einstrahl- und Zweistrahl-Ausführung bekannt. Bei den Einstrahl-Geräten wird die von dem Infrarot-Strahler erzeugte Infrarot-Strahlung nach Modulation, z. B. durch ein rotierendes Blendenrad, durch die das Gasgemisch mit der Messgaskomponente enthaltende Messküvette zu der Detektoreinrichtung geleitet, während bei Zweistrahl-Geräten die Infrarot-Strahlung in eine modulierte Messstrahlung durch die Messküvette und eine gegenphasig modulierte Vergleichsstrahlung durch eine mit einem Vergleichsgas gefüllte Vergleichsküvette aufgeteilt wird. Für die Detektoreinrichtung werden üblicherweise mit der nachzuweisenden Gaskomponente gefüllte optopneumatische Detektoren mit einer oder mehreren neben- oder hintereinander liegenden Empfängerkammern verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Überwachung eines gasführenden Systems weiter zu verbessern. Dies betrifft Systeme, die ein Gas betriebsmäßig ohne Veränderung der Gaszusammensetzung und -menge durchleiten, also beispielsweise Analysensysteme.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene Anordnung gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist der verwendete NDIR-Gasanalysator vom Zweistrahltyp, wobei jede der beiden Küvetten von jeweils einem der beiden Strahlen durchstrahlt wird, und die Küvetten in die Leitungswege des Gaseinlasses bzw. Gasauslasses einfügt sind, so dass sie von dem in das System eingeleiten bzw. aus ihm herausgeleiteten Gas durchströmt werden.
Das von dem Gasanalysator bzw. der nachgeordneten Auswerteeinrichtung gelieferte Ausgangssignal entspricht somit unmittelbar der Differenz der Konzentrationen der gemessenen Gaskomponente in den beiden Küvetten und damit der Änderung der Konzentration der betreffenden Gaskomponente beim Durchströmen des überwachten Systems. Da das Messergebnis auch von dem Druck und der Temperatur des Gases abhängig ist, müssen beide Faktoren bei der Bestimmung der Änderung der Konzentration der gemessenen Gaskomponente berücksichtigt werden. Dabei kann die Temperaturabhängigkeit in einfacher Weise eliminiert werden, indem die Leitungswege des Gaseinlasses und Gasauslasses des überwachten Systems abschnittsweise wärmeübertragend miteinander gekoppelt sind, beispielsweise über einen Wärmetauscher. Es ist auch möglich, die Temperaturen des Gases am Gaseinlass und Gasauslass zu erfassen und damit die Temperaturabhängigkeit des Messergebnisses in der Auswerteeinrichtung rechnerisch zu kompensieren. In gleicher Weise kann auch die Druckdifferenz zwischen dem Gaseinlass und Gasauslass erfasst und zur rechnerischen Kompensation der Druckabhängigkeit des Messergebnisses herangezogen werden.
Wird das Gas mittels einer Pumpe vor dem Gaseinlass durch das System gefördert, herrscht in dem System ein Überdruck, so dass im Leckagefall Gas aus dem System entweicht und der Druck in der hinter dem Gasauslass liegenden zweiten Küvette des Gasanalysators abnimmt. Diese Druckverringerung wirkt in Bezug auf die Strahlungsabsorption in der zweiten Küvette wie eine Verringerung der Konzentration der gemessenen Gaskomponente und führt zu einem entsprechenden Ausgangssignal. Ist die Pumpe zur Förderung des Gases hinter dem Gasauslass angeordnet, herrscht in dem System ein Unterdruck, so dass im Leckagefall Außenluft in das System eindringt und die Konzentration der gemessenen Gaskomponente in der zweiten Küvette verringert. Gleichzeitig erhöht sich aufgrund des Lecks der Druck in der ersten Küvette, was in Bezug auf die Strahlungsabsorption wie eine Erhöhung der Konzentration der gemessenen Gaskomponente in der ersten Küvette wirkt. Beide Effekte überlagern sich konstruktiv und erhöhen den Messeffekt. Auf diese Weise lassen sich auch kleine Lecks bereits im μbar-Bereich detektieren, während die Nachweisgrenze bei Verwendung beispielsweise eines Differenzdruckmessers zwischen dem Gasein- und dem -auslass im mbar-Bereich liegen würde.
Um zu vermeiden, dass tendenziell langsame Druckänderungen in dem überwachte System, z. B. aufgrund sich zusetzender Filter, zu Fehlalarmen führen, ist die Auswerteeinrichtung vorzugsweise dazu ausgebildet, das die Leckage anzeigende Ausgangssignal nur dann zu erzeugen, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der gemessenen Konzentrationsabweichung einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die einzige Figur der Zeichnung Bezug genommen, die in vereinfachter, schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt.
Ein gasführendes System 1, beispielsweise ein mehrere Messeinrichtungen zur Gasanalyse enthaltendes Analysenhaus, weist einen Gaseinlass 2 und einen Gasauslass 3 für ein zu analysierendes Gas 4 auf. Das Gas 4 wird mittels einer Pumpe 5 durch das System 1 gefördert, wobei die Pumpe 5, wie hier gezeigt, vor dem Gaseinlass 2 liegt oder alternativ hinter dem Gasauslass 3 liegen kann. Im ersten Fall entsteht in dem System 1 ein Überdruck, im zweiten Fall ein Unterdruck gegenüber der Umgebung.
Zur Überwachung des gasführenden Systems 1 auf Leckage dient ein üblicher NDIR-Gasanalysator 6 in Zweistrahl-Ausführung. Dieser weist einen Infrarot-Strahler 7 auf dessen erzeugte Infrarot-Strahlung 8 mittels eines Strahlteilers 9 in einen Messstrahlengang durch eine Messküvette 10 und einen Vergleichsstrahlengang durch eine Vergleichsküvette 11 aufgeteilt wird. Ein rotierendes Blendenrad 12 unterbricht abwechselnd die Strahlung durch die beiden Küvetten 10 und 11. Hinter der Messküvette 10 und der Vergleichsküvette 11 werden der Messstrahlengang und der Vergleichsstrahlengang mittels eines Strahlungssammlers 13 wieder zusammen- und in eine optopneumatische Detektoreinrichtung 14 geführt. Die Detektoreinrichtung 14 kann in bekannter Weise als Zweischichtempfänger sein, mit zwei hintereinander liegenden und mit einer Messgaskomponente oder einem Ersatzgas gefüllten Empfängerkammern, welche über eine Verbindungsleitung mit einem darin angeordneten druck- oder strömungsempfindlichen Sensor miteinander verbunden sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Detektoreinrichtung 14 als Einschichtempfänger 15 ausgebildet, bei dem eine mit der Messgaskomponente oder dem Ersatzgas gefüllte Empfängerkammer 16 über eine Verbindungsleitung 17 mit einem darin angeordneten druck- oder strömungsempfindlichen Sensor 18 mit einer Ausgleichskammer 19 außerhalb des Strahlengangs der Infrarot-Strahlung 8 verbunden ist. Üblicherweise ist die Messküvette 10 mit einem zu analysierenden und die Messgaskomponente enthaltenden Gasgemisch gefüllt, während die Vergleichsküvette 11 ein Vergleichs- oder Referenzgas enthält. Aus dem von dem Sensor 18 erzeugten Messsignal 20 wird dann in einer Auswerteeinrichtung 21 als Messergebnis oder Ausgangssignal 22 die Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch ermittelt wird.
Die Detektoreinrichtung 14 kann neben dem die Messgaskomponente enthaltenden Einschichtempfänger 15 mindestens einen weiteren, im Strahlengang dahinter liegenden Einschichtempfänger 23 aufweisen, der ein Quergas enthält. Die Auswerteeinrichtung 21 enthält dann eine entsprechend der Anzahl n der Einschichtempfänger n-dimensionale Kalibrationsmatrix, in der bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unterschiedlichen bekannten Quergaskonzentrationen erhaltene Messsignalwerte als n-Tupel abgespeichert sind. Beim Messen von unbekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unbekannten Quergaskonzentrationen wird durch Vergleich der dabei erhaltenen n-Tupel von Messsignalwerten mit den in der Kalibrationsmatrix abgespeicherten n-Tupeln von Messsignalwerten die Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch ermittelt.
Im Unterschied zu der üblichen Betriebsweise eines NDIR-Zweistrahl-Gasanalysators enthält die Vergleichsküvette 11 kein Vergleichs- oder Referenzgas. Statt dessen ist Messküvette 10 (erste Küvette) in den Leitungsweg 24 des Gaseinlasses 2 des Systems 1 und die Vergleichsküvette 11 (zweite Küvette) in den Leitungsweg 25 des Gasauslasses 3 eingefügt, so dass die erste Küvette von dem in das System 1 eingeleiten und die zweite Küvette 11 von dem aus dem System 1 herausgeleiteten Gas 4 durchströmt wird. Das von der Auswerteeinrichtung 21 gelieferte Ausgangssignal 22 entspricht somit unmittelbar der Differenz der Konzentrationen der betrachteten Komponente des Gases 4 in den beiden Küvetten 10, 11 und damit der Änderung der Konzentration der betreffenden Gaskomponente beim Durchströmen des überwachten Systems 1.
Um die Abhängigkeit des Messergebnisses von der Temperatur des Gases 4 zu eliminieren, sind die Leitungswege 24 und 25 des Gaseinlasses 2 und Gasauslasses 3 des überwachten Systems 1 über einen Wärmetauscher 26 oder auf sonstige Weise wärmeübertragend miteinander gekoppelt. Ferner kann mittels eines Differenzdruckmessers 27 die Druckdifferenz zwischen dem Gaseinlass 2 und Gasauslass 3 erfasst und zur rechnerischen Kompensation der Druckabhängigkeit des Messergebnisses 22 herangezogen werden.

Claims

Anordnung zur Überwachung eines gasführenden Systems (1) auf Leckage mit einem nichtdispersiven Infrarot-(NDIR-)Gasanalysator (6) in Zweistrahl-Ausführung, der eine in einen Leitungsweg (24) eines Gaseinlasses (2) des gasführenden Systems (1) eingefügte und von dem in das System (1) eingeleiteten Gas (4) durchströmte erste Küvette (10) und eine in einen Leitungsweg (25) eines Gasauslasses (3) des Systems (1) eingefügte und von dem aus dem System (1) herausgeleiteten Gas (4) durchströmte zweite Küvette (11) aufweist, wobei jede der beiden Küvetten (10, 11) von jeweils einem der beiden Strahlen durchstrahlt wird, und mit einer dem Gasanalysator (6) nachgeordneten Auswerteeinrichtung (21), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Abweichung der Gaszusammensetzung in der zweiten Küvette (11) von der in der ersten Küvette (10) ein eine Leckage in dem gasführenden System (1) anzeigendes Ausgangssignal (22) zu erzeugen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungswege (24, 25) des Gaseinlasses (2) und Gasauslasses (3) abschnittsweise wärmeübertragend miteinander gekoppelt sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) dazu ausgebildet ist, das die Leckage anzeigende Ausgangssignal (22) nur dann zu erzeugen, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Abweichung einen vorgegebenen Wert überschreitet.