DE102016101720A1

DE102016101720A1 - Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse

Info

Publication number: DE102016101720A1
Application number: DE102016101720.5A
Authority: DE
Inventors: Ralf ZORBACH
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2017-08-03
Also published as: US10101198B2; US20170219425A1

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 aus 1 mit geschlossenen Öffnungen;
3 die Vorrichtung aus 1 und 2 in einem Schnitt entlang der Linie I-I;
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform;
5 die Vorrichtung aus 4 mit geschlossenen Öffnungen.
Eine erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung 10 zur optischen in-situ Gasanalyse eines Gasstroms 28, der in einem Abgaskanal 26 geführt ist, weist in einem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Lichtsender 12 auf, der einen Sendelichtstrahl 14 aussendet. Der Sendelichtstrahl 14 definiert eine Messstrecke 16 und wird nach Reflexion an einem Retroreflektor 18 und einem Teilerspiegel 20 von einem Lichtempfänger 22 empfangen. Der Lichtempfänger 22 erzeugt in Abhängigkeit des auftreffenden Lichts Empfangssignale, die in einer Auswerteeinrichtung 24 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 Lichtempfänger 22 die Intensität des die Messstrecke 16 durchstrahlenden Lichts gemessen wird. In der Regel ist der Lichtsender 12 auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt, die von einem zu untersuchenden Gasanteil, beispielsweise Schwefelwasserstoff, absorbiert wird. Über das am Lichtempfänger 22 empfangene Licht kann dann eine Aussage gemacht werden, wie hoch die Konzentration des interessierenden Gasanteils in dem Gasstrom 28 ist, der in dem Abgaskanal 26 geführt ist.
Die optoelektronische Vorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 29, mit einer Messlanze 30, dessen eine erste Ende 32 an das Gehäuse 29 angeschlossen ist und die mit ihrem anderen zweiten Ende 34 in den Abgaskanal 26 und damit in das zu messende Gas 28 hineinragt. Gehäuse 29 und Messlanze 30 sind über einen Befestigungsflansch 36 an einer Wand des Abgaskanals festgelegt.
In dem Gehäuse 29 sind die optoelektronischen Einheiten, wie Lichtsender 12 Lichtempfänger 22 und Auswerteeinrichtung 24 angeordnet und in der Messlanze 30 ist das Licht durch die Messstrecke 16 geführt. An dem zweiten Ende 34 der Messlanze 30 ist der Retroreflektor 18 gehalten.
Die Messlanze 30 weist ein Außenrohr 40 auf, dass sich über die gesamte Länge der Messlanze 30 erstreckt und an seinem einen Ende an dem Gehäuse 29 festgelegt ist und an seinem anderen Ende den Retroreflektor 18 hält. In dem Bereich des Außenrohres 40, der in den Abgaskanal 26 hineinragt, weist das Außenrohr 40 Öffnungen 42 auf, so dass Anteile des Gasstroms 28 in die Messstrecke 16 gelangen können.
Der in dem Abgaskanal 26 geführte Gasstrom 28, der lediglich durch einen Pfeil 28 angedeutet ist, kann mit Partikeln belastet sein, beispielsweise Staub, Rauch oder sonstige Aerosole, wobei die Partikel die eigentliche optische Messung auf der Messstrecke 16 stören. Um die Partikel von der Messstrecke 16 fern zu halten, ist zumindest im Bereich der Öffnungen 42 ein gasdurchlässiges Filter 44, bevorzugt aus porösem Material, vorgesehen. Das Filter 44 ist rohrförmig ausgebildet, und die Messstrecke 16 befindet sich in dessen Innerem.
In dem Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 befindet sich das Filter 44 im Inneren des Außenrohres 40.
Weiter weist die Messlanze 30 ein koaxial zum Außenrohr 40 angeordnetes Innenrohr 46 auf. Das Innenrohr 46 ist in Rohrlängsrichtung gegenüber dem Außenrohr 40 verschiebbar ausgebildet. Die Verschiebung wird bewirkt durch einen Elektroantrieb 50, der über eine geeignete Mechanik 52 an dem Innenrohr 46 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 Messstrecke 16 gelangen kann, ist in 1 dargestellt.
In der anderen Endposition, die in 2 dargestellt ist, stößt das Innenrohr 46 an einen Anschlag 54 an. Das Messgas 28 kann dann nur noch in einen Ringspalt 56 zwischen Innen- 46 und Außenrohr 40 gelangen. Dieser Ringspalte 56 ist zum Gehäuse 29 hin mit einem Kolbenring 58 abgedichtet. Damit kann das Messgas 28 nicht in das Innere des Innerohres 46 gelangen und somit nicht in die Messstrecke 16.
In dieser Endposition kann die Messstrecke 16 frei von Messgas gehalten werden und ein Prüfbetrieb kann erfolgen. Dazu ist ein Prüfgasanschluss 59 vorgesehen. Um auch tatsächlich das noch vorhandene Messgas aus der Messstrecke 16 zu verdrängen und fern zu halten, wird soviel Prüfgas eingefüllt, dass der Druck in der Messstrecke 16 leicht höher ist als in dem Abgaskanal 26. Gleichzeitig ist z.B. an dem Anschlag 54 eine definierte Undichtigkeit vorgesehen, so dass Messgas aus der Messstrecke 16 „gespült“ wird. In diesem Sinne sind damit die Öffnungen 42 durch Verschieben des Innerohrs 46 in die zweite Endposition verschlossen worden.
Zur Verschiebung des Innenrohres 46 gegenüber dem Außenrohr 40 sind bevorzugt Führungselemente vorgesehen. Diese können durch den ersten Kolbenring 58 und einen zweiten in Rohrlängsrichtung beabstandeten Kolbenring 62 gebildet sein.
Um die Dichtungen durch die Kolbenringe 58 und 62 nicht zu belasten, können die Führungselemente auch durch Führungsstäbe 64 gebildet sein, die beispielsweise an dem Gehäuse 29 angeordnet sind und das Innenrohr 46 halten und beim Verschieben führen.
Für eine gute Dichtung und gute Gleitfähigkeit ist eine Materialkombination vorteilhaft, bei der die Kolbenringe 58 und 62 aus Bronze oder Messing und das Außenrohr 40 aus Stahl bestehen.
In dem Ausführungsbeispiel nach den 4 und 5 ist das gasdurchlässige Filter 44 auf der Aussenseite des Außenrohres angebracht. Dadurch können die Kolbenringe 58 und 62 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
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Zitierte Patentliteratur

US 4549080 [0004]

Claims

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.