DE102016101720A1 - Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse und umfasst – ein Gehäuse, – eine Messlanze, dessen eine erste Ende an das Gehäuse angeschlossen ist und die mit ihrem anderen zweiten Ende in das zu messende Gas hineinragt, – einen im Gehäuse angeordneten Lichtsender, dessen Licht in die Messlanze geführt ist und von einem am zweiten Ende angeordneten Reflektor auf einen Lichtempfänger reflektiert wird und der Strahlengang eine optische Messtrecke innerhalb der Messlanze definiert, – ein in der Messlanze gehaltenes gasdurchlässiges Filter, in dessen Innerem sich die Messstrecke befindet, – und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers. Um den Verbrauch an Prüfgas reduzieren zu können wird vorgeschlagen, dass die Messlanze koaxial angeordnete Innen- und Außenrohre aufweist, und das Außenrohr Öffnungen für das zu messende Gas besitzt. Innen- und Außenrohr sind in Rohrlängsrichtung gegeneinander verschiebbar, um in einem Prüfbetrieb die Öffnungen zu verschließen. Ein Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr ist durch eine Dichtung abgedichtet, der durch wenigstens einen Kolbenring ausgebildet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Mit derartigen Vorrichtungen werden bestimmte Gasanteile, z. B. Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid, SO2, NH3, NO NO2, HCl, HF oder dergleichen, mittels optischer Transmission oder Lichtstreuung gemessen. Zumeist wird dabei die Konzentration dieser Gasanteile ermittelt.
- Anwendungsgebiete sind zum Beispiel Emissionsmessungen von Industrieanlagen, bei denen die Abgase in einem Abgaskanal auf ihren Gehalt bestimmter molekularer Verbindungen überwacht werden müssen. Häufig sind die Gasströme, denen die optoelektronische Vorrichtung ausgesetzt ist, um die gewünschten Gasanteile zu messen, durch hohe Partikelbelastungen, wie zum Beispiel Rauch, Stäube oder andere Aerosole, gekennzeichnet. Diese hohen Partikelbelastungen verursachen eine große Lichtabsorption und/oder eine hohe Lichtstreuung, die die eigentliche Messung stark behindert bis unmöglich macht. So hat beispielsweise Schwefelwasserstoff eine sehr breite Absorption wie auch ultrafeiner Staub. Es kann dann nicht mehr unterschieden werden, ob die Absorption von Schwefelwasserstoff herrührt oder von dem Staub.
- Zum Fernhalten derartiger Partikel, die die Messung stören, ist es bekannt (z.B.
US 4,549,080 ) Filter vorzusehen, die aus einem Rohrstück aus porösem Material bestehen, in dessen Innerem sich die Messstrecke befindet. Aufgrund der porösen Struktur kann zwar das zu messende Gas in die Messstrecke gelangen, aber je nach Porengröße können Partikel, wie Rauch, Stäube oder Aerosole, abgehalten werden. - Nachteilig daran ist, dass solche in-situ Geräte von Zeit zu Zeit getestet, geprüft bzw. kalibriert werden müssen und zu diesem Zweck ein Prüfgas in die Messstrecke eingebracht werden muss. Dazu wird das Prüfgas in die Messstrecke eingeblasen. Die Messstrecke ist aber nicht hermetisch dicht, sondern das Prüfgas entweicht durch die Poren des Filters in den Abgaskanal. Für die Dauer der Kalibriermessungen muss daher eine ausreichende Menge an Prüfgas in die Messstrecke permanent mit ausreichendem Druck eingeblasen werden. Die für eine Kalibrierung benötigte Prüfgasmenge ist entsprechend hoch. Dieser Nachteil macht sich besonders bei langen Messstrecken mit entsprechend langem, porösem Filter bemerkbar.
- Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, mit der der Verbrauch an Prüfgas reduziert werden kann.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse umfasst
- – ein Gehäuse,
- – eine Messlanze, dessen eine erste Ende an das Gehäuse angeschlossen ist und die mit ihrem anderen zweiten Ende in das zu messende Gas hineinragt,
- – einen im Gehäuse angeordneten Lichtsender, dessen Licht in die Messlanze geführt ist und von einem am zweiten Ende angeordneten Reflektor auf einen Lichtempfänger reflektiert wird und der Strahlengang eine optische Messstrecke innerhalb der Messlanze definiert,
- – ein in der Messlanze gehaltenes gasdurchlässiges Filter, in dessen Innerem sich die Messstrecke befindet,
- – und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers.
- Erfindungsgemäß weist die Messlanze ein Innen- und ein Außenrohr auf, die koaxial zueinander angeordnete sind. Das Außenrohr besitzt Öffnungen für das zu messende Gas. Innen- und Außenrohr sind in Rohrlängsrichtung gegeneinander verschiebbar, um in einem Prüfbetrieb die Öffnungen zu verschließen. Ein Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr ist durch eine Dichtung abgedichtet, der durch wenigstens einen Kolbenring ausgebildet ist.
- Mit dem Innenrohr werden die Öffnungen zur Messtrecke hin verschlossen, so dass kein Messgas mehr in die Messstrecke gelangen kann. Dann kann die Messstrecke mit Prüfgas geflutet werden. Eine definierte Undichtigkeit, die aber klein sein kann, ist dabei sinnvoll, um das nach Verschließen der Öffnungen noch vorhandene Messgas durch das Prüfgas aus der Messstrecke zu verdrängen. Das Prüfgas kann aber nur durch die kleine definierte Undichtigkeit entweichen und nicht mehr durch den Filter. Mit einem kleinen Überdruck in der entstehenden Messkammer in Zusammenhang mit konstantem Testgasfluss wird eine Prüfgasbefüllung der Messstrecke erreicht. Damit wird der Prüfgasverbrauch berechenbar und kann erheblich minimiert werden und ist auch weitestgehend unabhängig von der Länge der aktiven Messstrecke. Die Messstrecke wird darüber hinaus gleichmäßig mit Prüfgas befüllt. Der Prüfgasverbrauch ist konstant und vorhersagbar.
- Die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit den Kolbenringen ist eine verhältnismäßig einfache Konstruktion von Außen- und Innenrohr, was Kostenersparnis mit sich bringt, denn es können für Außen- und Innenrohr. Standardrohre und Standardkolbenringe verwendet werden. Kolbenringe sind federnd ausgebildet und können sich dem Innenrohrdurchmesser anpassen, wodurch auch Temperaturschwankungen unproblematisch sind.
- Kolbenringe sind Standardverschleißteile und entsprechend kostengünstig erhältlich, handelsüblich und regional, länderunabhängig beschaffbar, was zu einer hohen Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit beiträgt. Standardverschleißteile, wie Kolbenringe, lassen sich auch in Eigenleistung einfach austauschen.
- Durch die Kolbenringe werden Innen- und Außenrohr definiert gegeneinander abgedichtet und bewirken gleichzeitig eine Zentrierung des Innenrohrs.
- Ein weiterer Vorteil der Kolbenringe ist ein sicherer Betrieb auch unter harschen Bedingungen wie Salzbildung in der Messlanze bei An-und Abfahrvorgängen der Anlage. Grad und Art der Verschmutzung sind u.a. von der Zusammensetzung des Messgases, der Anlagenfahrweise, den Temperaturschwankungen im Messgas abhängig. Zum Beispiel können Salze, die in der Gasphase durch das Filter gelangen, bei Messgastemperaturabfall an den Innenflächen der Lanze kristallisieren, da der Temperaturabfall an der Lanzeninnenfläche schneller als die Gasdiffusion durch das Filter sein kann. Derartige Verschmutzungen/Ablagerungen werden durch die Kanten der Kolbenringe beim Ein- und Ausfahren des Innenrohres einfach „abgeschabt“. Die Kolbenringe laufen nämlich an der Innenwand des Außenrohres entlang. Das eröffnet die Möglichkeit, durch periodisches Ein- und Ausfahren des Innenrohres solche Ablagerungen regelmäßig zu beseitigen.
- Den Prüfbetrieb könnte man automatisch in definierten Zeitintervallen durchführen oder aber durch manuelle Betätigung. Das würde sich in preislich abgestuften Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung niederschlagen.
- In einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Kolbenring aus Bronze oder Messing und das Außenrohr aus Stahl. Diese geeignete Materialkombination vermindert die Reibung zwischen Kolbenring und damit Innenrohr und Außenrohr. Durch Minimierung der Gleitflächen des Kolbenrings, z.B. durch geeignete Formgebung, kann die Reibung zur Erhöhung der Leichtläufigkeit weiter reduziert werden.
- Das Innenrohr könnte auch aus Teflon ausgeführt werden. Da der Ausdehnungskoeffizient von Teflon kleiner als der von Stahl ist, kann das Teflonrohr auch bei Erwärmung nicht klemmen.
- Zur besseren Führung und Vermeidung eines Verklemmens sind zwei in Rohrlängsrichtung beabstandete Kolbenringe vorgesehen.
- In Weiterbildung der Erfindung ist das Innenrohr durch Führungselemente geführt und elektromotorisch verschiebbar. Zugehörige elektromechanischen Antriebskomponenten können am ersten Ende der Lanze verteilt angeordnet sein. Bevorzugt wird die Bewegung des Innenrohres durch zwei oder drei, äquidistant über den Umfang verteilt angeordnete Stäbe geführt. Durch die räumliche Verteilung der Führungselemente wird die Zug-/Schubkraft gleichmäßig auf den Umfang des Innenrohres verteilt.
- In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Antrieb zum Verfahren des Innenrohres mit Magneten ausgebildet sein, wenn z.B. das Innenrohr fest angeordnete Magnete aufweist, die mit an den Führungselementen angeordneten, elektrisch ansteuerbaren Magneten wechselwirken.
- Alternativ wäre auch ein Drahtseilzugantrieb oder ein Antrieb über eine Gewindespirale in Kombination mit Schrittmotoren als Antrieb vorstellbar. Als weitere Alternative könnten auch Linearmotoren eingesetzt werden.
- Sinnvollerweise ist ein Testgasanschluss an der Messlanze oder dem Gehäuse vorgesehen, um darüber die Messstrecke mit einem Prüfgas befüllen zu können.
- Eine außen am Außenrohr anliegende Heizspirale kann den Eintritt von Wasser bei Anwendungen in einem nassen Messgas verhindern.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse in einem Gasstrom; -
2 die Vorrichtung aus1 mit geschlossenen Öffnungen; -
3 die Vorrichtung aus1 und2 in einem Schnitt entlang der Linie I-I; -
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform; -
5 die Vorrichtung aus4 mit geschlossenen Öffnungen. - Eine erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung
10 zur optischen in-situ Gasanalyse eines Gasstroms28 , der in einem Abgaskanal26 geführt ist, weist in einem in1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Lichtsender12 auf, der einen Sendelichtstrahl14 aussendet. Der Sendelichtstrahl14 definiert eine Messstrecke16 und wird nach Reflexion an einem Retroreflektor18 und einem Teilerspiegel20 von einem Lichtempfänger22 empfangen. Der Lichtempfänger22 erzeugt in Abhängigkeit des auftreffenden Lichts Empfangssignale, die in einer Auswerteeinrichtung24 ausgewertet werden, beispielsweise um die Konzentration einer Komponente des Messgases zu bestimmen. - Eine solche optoelektronische Vorrichtung
10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Transmissiometer ausgebildet, so dass mit dem Lichtempfänger22 die Intensität des die Messstrecke16 durchstrahlenden Lichts gemessen wird. In der Regel ist der Lichtsender12 auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt, die von einem zu untersuchenden Gasanteil, beispielsweise Schwefelwasserstoff, absorbiert wird. Über das am Lichtempfänger22 empfangene Licht kann dann eine Aussage gemacht werden, wie hoch die Konzentration des interessierenden Gasanteils in dem Gasstrom28 ist, der in dem Abgaskanal26 geführt ist. - Die optoelektronische Vorrichtung
10 umfasst ein Gehäuse29 , mit einer Messlanze30 , dessen eine erste Ende32 an das Gehäuse29 angeschlossen ist und die mit ihrem anderen zweiten Ende34 in den Abgaskanal26 und damit in das zu messende Gas28 hineinragt. Gehäuse29 und Messlanze30 sind über einen Befestigungsflansch36 an einer Wand des Abgaskanals festgelegt. - In dem Gehäuse
29 sind die optoelektronischen Einheiten, wie Lichtsender12 Lichtempfänger22 und Auswerteeinrichtung24 angeordnet und in der Messlanze30 ist das Licht durch die Messstrecke16 geführt. An dem zweiten Ende34 der Messlanze30 ist der Retroreflektor18 gehalten. - Die Messlanze
30 weist ein Außenrohr40 auf, dass sich über die gesamte Länge der Messlanze30 erstreckt und an seinem einen Ende an dem Gehäuse29 festgelegt ist und an seinem anderen Ende den Retroreflektor18 hält. In dem Bereich des Außenrohres40 , der in den Abgaskanal26 hineinragt, weist das Außenrohr40 Öffnungen42 auf, so dass Anteile des Gasstroms28 in die Messstrecke16 gelangen können. - Der in dem Abgaskanal
26 geführte Gasstrom28 , der lediglich durch einen Pfeil28 angedeutet ist, kann mit Partikeln belastet sein, beispielsweise Staub, Rauch oder sonstige Aerosole, wobei die Partikel die eigentliche optische Messung auf der Messstrecke16 stören. Um die Partikel von der Messstrecke16 fern zu halten, ist zumindest im Bereich der Öffnungen42 ein gasdurchlässiges Filter44 , bevorzugt aus porösem Material, vorgesehen. Das Filter44 ist rohrförmig ausgebildet, und die Messstrecke16 befindet sich in dessen Innerem. - In dem Ausführungsbeispiel nach
1 und2 befindet sich das Filter44 im Inneren des Außenrohres40 . - Weiter weist die Messlanze
30 ein koaxial zum Außenrohr40 angeordnetes Innenrohr46 auf. Das Innenrohr46 ist in Rohrlängsrichtung gegenüber dem Außenrohr40 verschiebbar ausgebildet. Die Verschiebung wird bewirkt durch einen Elektroantrieb50 , der über eine geeignete Mechanik52 an dem Innenrohr46 angreift und dieses in Rohrlängsrichtung zwischen zwei Endpositionen hin und her verschieben kann. - Die eine der Endpositionen, bei der die reguläre Messung vorgenommen werden kann (Arbeitsbetrieb) und bei der Messgas
28 in die Messstrecke16 gelangen kann, ist in1 dargestellt. - In der anderen Endposition, die in
2 dargestellt ist, stößt das Innenrohr46 an einen Anschlag54 an. Das Messgas28 kann dann nur noch in einen Ringspalt56 zwischen Innen-46 und Außenrohr40 gelangen. Dieser Ringspalte56 ist zum Gehäuse29 hin mit einem Kolbenring58 abgedichtet. Damit kann das Messgas28 nicht in das Innere des Innerohres46 gelangen und somit nicht in die Messstrecke16 . - In dieser Endposition kann die Messstrecke
16 frei von Messgas gehalten werden und ein Prüfbetrieb kann erfolgen. Dazu ist ein Prüfgasanschluss59 vorgesehen. Um auch tatsächlich das noch vorhandene Messgas aus der Messstrecke16 zu verdrängen und fern zu halten, wird soviel Prüfgas eingefüllt, dass der Druck in der Messstrecke16 leicht höher ist als in dem Abgaskanal26 . Gleichzeitig ist z.B. an dem Anschlag54 eine definierte Undichtigkeit vorgesehen, so dass Messgas aus der Messstrecke16 „gespült“ wird. In diesem Sinne sind damit die Öffnungen42 durch Verschieben des Innerohrs46 in die zweite Endposition verschlossen worden. - Zur Verschiebung des Innenrohres
46 gegenüber dem Außenrohr40 sind bevorzugt Führungselemente vorgesehen. Diese können durch den ersten Kolbenring58 und einen zweiten in Rohrlängsrichtung beabstandeten Kolbenring62 gebildet sein. - Um die Dichtungen durch die Kolbenringe
58 und62 nicht zu belasten, können die Führungselemente auch durch Führungsstäbe64 gebildet sein, die beispielsweise an dem Gehäuse29 angeordnet sind und das Innenrohr46 halten und beim Verschieben führen. - Für eine gute Dichtung und gute Gleitfähigkeit ist eine Materialkombination vorteilhaft, bei der die Kolbenringe
58 und62 aus Bronze oder Messing und das Außenrohr40 aus Stahl bestehen. - In dem Ausführungsbeispiel nach den
4 und5 ist das gasdurchlässige Filter44 auf der Aussenseite des Außenrohres angebracht. Dadurch können die Kolbenringe58 und62 auch im Filterbereich an der Außenrohrinnenwand gleiten. Der Abstand der Kolbenringe wird zusätzlich damit besser auf das Innenrohr verteilt und ein Verkanten vermieden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- US 4549080 [0004]
Claims (6)
- Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse, mit – einem Gehäuse (
29 ), – einer Messlanze (30 ), dessen eine erste Ende (32 ) an das Gehäuse (29 ) angeschlossen ist und die mit ihrem anderen zweiten Ende (34 ) in das zu messende Gas (28 ) hineinragt, – einem im Gehäuse (29 ) angeordneten Lichtsender (12 ), dessen Licht (14 ) in die Messlanze (30 ) geführt ist und von einem am zweiten Ende (34 ) angeordneten Reflektor (18 ) auf einen Lichtempfänger (22 ) reflektiert wird und der Strahlengang eine optische Messtrecke (16 ) innerhalb der Messlanze (30 ) definiert, – einem in der Messlanze (30 ) gehaltenen gasdurchlässigen Filter (44 ), in dessen Innerem sich die Messstrecke (16 ) befindet, – und einer Auswerteeinrichtung (24 ) zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers (22 ), dadurch gekennzeichnet, – dass die Messlanze (30 ) koaxial angeordnete Innen- (46 ) und Außenrohre (40 ) aufweist und das Außenrohr (40 ) Öffnungen (42 ) für das zu messende Gas aufweist, – dass Innen- (46 ) und Außenrohr (40 ) in Rohrlängsrichtung gegeneinander verschiebbar sind, um in einem Prüfbetrieb die Öffnungen (42 ) zu verschließen, – wobei eine Dichtung (58 ) einen Ringspalt (56 ) zwischen Innen- (46 ) und Außenrohr (40 ) abdichtet und die Dichtung (58 ) durch wenigstens einen Kolbenring (58 ,62 ) ausgebildet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring aus Bronze oder Messing besteht und das Außenrohr aus Stahl.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Rohrlängsrichtung beabstandete Kolbenringe vorgesehen sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr durch Führungselemente geführt ist und elektromotorisch verschiebbar ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr mittels an dem Innenrohr festgelegten Magneten und an den Führungselementen angeordneten, elektrisch ansteuerbaren Magneten verschiebbar ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prüfgasanschluss vorgesehen ist, über den die Messstrecke mit einem Prüfgas befüllbar ist.
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