DE102016110259A1

DE102016110259A1 - Verfahren zur Überprüfung und/oder Kalibrierung eines Messelements eines Messsystems für den Sauerstoffgehalt in einem Gasgemisch und Messsystem

Info

Publication number: DE102016110259A1
Application number: DE102016110259.8A
Authority: DE
Inventors: Rainer Gorris
Original assignee: Eurox Sauerstoff Mess-Systeme GmbH
Current assignee: Eurox Sauerstoff Mess-Systeme GmbH
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Verfahren zur Überprüfung und/oder Kalibrierung wenigstens eines Messelements eines Messsystems (1) für ein bezüglich des Sauerstoffgehalts zu vermessendes Gasgemisch, umfassend wenigstens eine erste, Sauerstoff umfassende Komponente und eine zweite, wenigstens einen zur oxidativen Reaktion mit Sauerstoff vorgesehenen Bestandteil enthaltende Komponente, wobei das Messsystem (1) als erstes Messelement (9) eine beheizte, potentiometrische Zirkondioxidmesseinrichtung (10) und als zweites Messelement (13) eine ein von dem Messverfahren des ersten Messelements unterschiedliches, zweites, den Sauerstoffgehalt nicht beeinflussendes Messverfahren nutzende Sauerstoffmesseinrichtung (14) aufweist und eine steuerbare Mischeinrichtung (4) zum Zusammenführen der Komponenten zu dem Gasgemisch verwendet wird, wobei beide Messelemente (9, 13) in einem unreagierten Gasstrom (12) des Gasgemisches messen, – wobei in einem Messvorgang die Mischeinrichtung (4) derart eingestellt wird, dass sich ein ausgezeichneter, vorbestimmter Wert für die Verbrennungszahl an dem ersten Messelement (9) einstellt, und bei eingestelltem vorbestimmten Wert mit dem zweiten Messelement (13) ein zugeordneter Sauerstoffanteil in dem Gasgemisch erfasst wird, und – wobei die Überprüfung und/oder Kalibrierung in Abhängigkeit des Messergebnisses des Messvorgangs erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung und/oder Kalibrierung wenigstens eines Messelements eines Messsystems für ein bezüglich des Sauerstoffanteils zu vermessendes Gasgemisch, umfassend wenigstens eine erste, Sauerstoff umfassende Komponente und eine zweite, wenigstens einen zur oxidativen Reaktion mit Sauerstoff vorgesehenen Bestandteil enthaltende Komponente. Zudem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Messsystem.
Gasmischungen mit oxidierbaren Bestandteilen und oxidierenden Bestandteilen, insbesondere Sauerstoff, werden üblicherweise zur Wärmeerzeugung mittels der oxidierenden Reaktion zwischen dem oxidierenden Bestandteil und dem oxidierbaren Bestandteil, insbesondere zur Verbrennung, eingesetzt. Beispielsweise ist es aus verschiedenen Anwendungsgebieten bekannt, eine Komponente mit dem zu oxidierbaren Bestandteil und eine Komponente mit dem oxidierenden Bestandteil in einer Mischeinrichtung zusammen zu führen, wobei es sich bei der ersten Komponente beispielsweise um ein Brenngas handeln kann, beispielsweise Erdgas oder Stadtgas, und bei der zweiten Komponente um Luft, die bekanntlich Sauerstoff enthält. Ein so durch die Mischeinrichtung zusammengeführtes Gasgemisch aus einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente kann dann einem Reaktionsort zugeführt werden, beispielsweise der Verbrennung durch einen Brenner. Verschiedenen Brenngasen sind dabei üblicherweise bestimmte Kennzahlen zugeordnet, die das Reaktionsverhalten charakterisieren, beispielsweise der Heizwert, der minimale Luftbedarf und dergleichen. Eine wichtige Kenngröße des entstehenden Gasgemisches ist die sogenannte Verbrennungszahl λ (oft auch als Verbrennungsindex bezeichnet). Die Verbrennungszahl ist definiert durch das Verhältnis der tatsächlichen Luftmenge zur theoretisch erforderlichen Luftmenge bei stöchiometrischer Verbrennung bezogen auf einen Kubikmeter der ersten, den oxidierbaren Bestandteil enthaltenen Komponente, insbesondere also des Brenngases; also λ = Ltats/Lmin
Für eine neutrale Verbrennungsatmosphäre (stöchiometrischer Punkt) ist λ = 1,0, bei reduzierender Verbrennungsatmosphäre ist λ < 1,0 und bei oxidierender Verbrennungsatmosphäre ist λ > 1,0.
Die Einstellung der gewünschten Verbrennungszahl bzw. eines gewünschten Verhältnisses der ersten Komponente zur zweiten Komponente, insbesondere also von Brenngas zu Luft, erfolgt üblicherweise durch Messung des Sauerstoffanteils und entsprechende Regelung der Mischeinrichtung, wobei bei vielen Anwendungen eine grobe Regelung ausreichend ist. Es existieren jedoch auch Anwendungen, in denen die Qualität des Arbeitsergebnisses stark von dem Vorliegen bestimmter Reaktionsatmosphären abhängig ist. Ein Beispiel hierfür sind Glasschmelzöfen, in denen das Gasgemisch an Brennerdüsen zur Beheizung von Zuführungsrinnen (Feeder) und/oder von Arbeitswannen geleitet wird. Die Speisung der Brennerdüsen mit dem Gasgemisch erfolgt dabei immer für Brennergruppen von beispielsweise sechs Einzelbrennern. Je nach Größe des Glasschmelzofens können bis zu 40 Brennergruppen oder mehr vorliegen. Dabei können in dem Gasschmelzofen Regeleinrichtungen, insbesondere manuell oder automatisch betätigbare Regelventile, für jede Brennergruppe vorgesehen sein, um in einzelnen Zonen definierte Verbrennungsatmosphären einstellen zu können.
Je nach Glasart, beispielsweise Weißglas, Grünglas oder Braunglas, werden leicht oxidierende oder leicht reduzierende Verbrennungsatmosphären angestrebt. Die Verbrennungsatmosphäre hat neben der Einstellung einer gewünschten Farbwirkung auch einen Einfluss auf die Glasqualität und die Bildung oder Vermeidung von Glasfehlern, beispielsweise von Bläschen, Schlieren, Farbsträhnen und dergleichen. Weitere bezüglich der Verbrennungsatmosphäre bzw. der Gasmischungen zu berücksichtigende Aspekte sind Energieeinsparung und Reduzierung von Schadstoffemissionen.
Bei derartigen Anwendungen, insbesondere bei Glasschmelzöfen, wäre es nur äußerst schwierig zu bewerkstelligen, verlässliche Messbedingungen für das reagierte Gasgemisch, also nach der Reaktion, herzustellen, um hinreichend verlässliche Messwerte zu erhalten. Mithin sehen die im Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen vor, die Sauerstoffmessung am unverbrannten bzw. unreagierten Gasgemisch vorzunehmen, wobei üblicherweise Messsysteme mit handelsüblichen elektrochemischen Sauerstoffmesszellen und/oder Sauerstoffmesszellen, die auf dem paramagnetischen Effekt von Sauerstoff beruhen, als Messelemente eingesetzt werden. Dabei wird für den stöchiometrischen Punkt, also λ = 1,0, ein Wert für den Sauerstoffanteil in dem Gasgemisch von beispielsweise 19,0 % (üblicherweise als vol-%) angesetzt, der das Ziel der Regelung ist. Dieser Wert kann durch Verbrennungsberechnungen basierend auf bekannte Zusammensetzungen der Brenngase ermittelt werden.
Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass diese Berechnungen, wenn überhaupt, dann nur für die aktuellen Kenngrößen des Brenngases und der beigemischten Luft gültig sind, beispielsweise was den Heizwert, den minimalen Luftbedarf (Lmin), den Feuchtegehalt der Luft und dergleichen angeht. Nachdem diese Kenngrößen stark schwanken, gilt dies konsequenterweise häufig auch für den Sauerstoffanteil, der zu einem stöchiometrischen Verhältnis von λ = 1,0 führt. Beispielsweise schwankt je nach Heizwert für in Deutschland übliche Erdgase der Wert für den minimalen Luftbedarf Lmin zwischen 8,9 m³ pro m³, 9,7 m³ pro m³ und 10,5 m³ pro m³. Dem entsprechen für λ = 1,0 Werte für den Sauerstoffanteil von beispielsweise 18,79, 18,95 und 19,08 %. Den jeweiligen Differenzen von in diesem Beispiel 0,16 % und 0,13 % stehen aber die Messgenauigkeiten der verwendeten Sauerstoffmesseinrichtungen, also der elektrochemischen bzw. paramagnetischen Sauerstoffmesszellen, entgegen, welche in einem ähnlichen Bereich liegen.
Ein weiteres, wesentlichen Einfluss auf die Messung und somit Regelung ausübendes Problem sind schwankende Wasserdampfgehalte der Luft, welche zu schwankenden Anteilen von Sauerstoff in der Luft führen können. Dies kann sowohl hinsichtlich der als erste Komponente dem Gasgemisch zugeführten Luft als auch bezüglich der zur Kalibrierung der Messzellen verwendeten Luft problematisch sein. Luft kann einen Sauerstoffanteil von 20,94 % für trockene Luft bis 19,65 % für Luft von 40 °C und 80 % relativer Feuchte aufweisen, wobei dennoch bei der Eichung der Sauerstoffmesszellen der Wert mit 20,9 % oder 21,0 % vereinfachend eingesetzt wird. Hieraus ergibt sich ein weiterer Messfehler für die Messung des Sauerstoffanteils an der unreagierten Gasmischung.
Hieraus folgt aber, dass für Anwendungen, in denen eine äußerst genaue Einstellung der Verbrennungszahl, beispielsweise in einem Bereich von λ =1,0 +/– 0,05 oder 1,0 +/– 0,10 angestrebt wird, Sauerstoffmesseinrichtungen, die elektrochemische oder paramagnetische Messverfahren nutzen, unabhängig von deren Messgenauigkeit eher ungeeignet erscheinen, um die Abgasatmosphäre nach der Verbrennung mit einer erforderlichen Genauigkeit von +/–0,05 λ, beispielsweise auf λ = 1,05 = etwa 1 % Restsauerstoff im Abgas, zu bestimmen.
Als Alternative wurde vorgeschlagen, Sauerstoffmesseinrichtungen einzusetzen, die auf einer Messung an der reagierten, insbesondere verbrannten, Gasmischung basieren. Derartige Sauerstoffmesseinrichtungen auf der Basis von Zirkondioxid werden als λ-Sonden bzw. Zirkondioxidmesseinrichtungen (mit entsprechenden Zirkondioxidmesszellen) bezeichnet. Dabei wurden im Stand der Technik sowohl potentiometrische Sonden (Sprungsonden), wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, als auch breitbandig messende λ-Sonden (Breitbandsonden) vorgeschlagen. Da sich bei vielen der genannten Anwendungen, bei denen bestimmte Verbrennungsatmosphären eingestellt werden sollen, nach der Verbrennung bzw. allgemeinen Reaktion keine hinreichend klar definierten Bedingungen mehr realisieren lassen, wird die Zirkondioxidmesseinrichtung bei solchen Messsystemen ebenso in einem Gasstrom der unreagierten Gasmischung eingesetzt, wobei beheizte potentiometrische Zirkondioxidmesseinrichtungen entwickelt wurden, an denen vor der Messung des Sauerstoffanteils eine möglichst ideale Reaktion der Gasmischung stattfindet, was durch katalytische Umsetzung und/oder Vorverbrennung erreicht werden kann. Trotzdem mithin diese Zirkondioxidmesseinrichtungen mit einem Gasstrom der unreagierten Gasmischung arbeiten, messen sie den Restsauerstoffanteil bei einer möglichst vollständigen Reaktion der Gasmischung, so dass aus den Spannungswerten, wie grundsätzlich bekannt, der Sauerstoffanteil nach der Nernstschen Gleichung oder anhand einer Messkurve bestimmt werden kann. Die Werte für den Restsauerstoffanteil können zwischen bis zu 10 % bei stark oxidierender Atmosphäre bis zu 10–20 Sauerstoffpartialdruck bei stark reduzierender Atmosphäre liegen. Da bei beheizten potentiometrischen Zirkondioxidmesseinrichtungen (Sprungsonden) der Signalsprung üblicherweise bei λ = 1,0 liegt, lässt sich hieraus leicht ein Wert für die Verbrennungszahl λ ableiten, der dann zur Regelung der Zusammensetzung des Gasgemischs auf eine Soll-Verbrennungszahl genutzt werden kann.
WO 2009/024 209 A1 offenbart beispielhaft ein Messsystem und ein Verfahren zur Analyse von Gemischen aus gasförmigen Brennstoffen und Luft für die Versorgung von Brennern für Behälter von Glasschmelz- und -behandlungsanlagen, wobei ein Anteil dieses Gemischs als Analysegas aus einer zu den Brennern führenden Mischleitung abgezogen und zur Bestimmung eines Referenzwerts für den Sauerstoffanteil in eine Brennkammer eingeführt und darin verbrannt wird, wobei das Verbrennungsgas durch einen Sauerstoffsensor analysiert wird. Die dortige Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennkammer innerhalb einer Wandung des Behälters für die Glasschmelze angeordnet ist und in wärmeleitender Verbindung mit dem Inhalt des Behälters steht, aber gegenüber dem Behälter für die Glasschmelze geschlossen ist. Das Abgas wird über eine Leitung dem Sauerstoffsensor, einer Zirkondioxidmesszelle, zugeführt. Eine derartige Vorgehensweise ist jedoch aufwendig zu realisieren und die Reproduzierbarkeit der Bedingungen, unter denen das speziell erzeugte Abgas vermessen wird, kann nicht sichergestellt werden. Ein Prinzip einer Zirkondioxidmesseinrichtung, der ein unreagiertes Gasgemisch zugeführt werden kann, und worin die Reaktion intern vollständig stattfindet, offenbart beispielhaft DE 199 48 270 B4 . Dort wird zum Schutz der Elektroden die Verwendung eines porösen Materials vorgeschlagen.
Grundsätzlich kann an Stelle einer Zirkondioxidmesszelle auch ein Verfahren auf der Basis von elektrochemischen oder paramagnetischen Messzellen eingesetzt werden. Der Nachteil hierbei ist, dass sich mit diesen Verfahren keine reduzierenden Atmosphären bestimmen lassen.
Bei Zirkondioxidmesszellen besteht das Problem, dass diese aus verschiedenen Gründen Alterungs- und/oder Drifterscheinungen zeigen können. Treten diese auf, können falsche Werte für die Verbrennungszahl λ entstehen. Alterungen können durch Mineralumwandlung des eingesetzten Festelektrolyten Zirkondixoid, chemische Angriffe, nachlassende katalytische Aktivität der Ableitelektroden, ansteigende Übergangswiderstände zwischen den Ableitelektroden und den Festelektrolyten, Polarisationseffekte und dergleichen entstehen. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, wurde durch DE 43 20 881 A1 eine Kombination von Lambda-Sonden vorgeschlagen, wobei eine beheizte Lambda-Sonde mit sprungförmiger bzw. binärer Sensorcharakteristik mit einer weiteren beheizten Lambda-Sonde für die Bestimmung des Lambda-Wertes in einem Gasgemisch, beispielsweise im Abgas, vorzugsweise von Verbrennungsmotoren, eingesetzt werden, wobei das Ausgangssignal der einen zur Kalibrierung der anderen Lambda-Sonde dient. Beide Lambda-Sonden sind hierbei in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander angeordnet und bei der weiteren Lambda-Sonde handelt es sich um eine Lambda-Sonde mit einer breitbandigen Sensor-Charakteristik. Mithin werden hier eine Sprungsonde und eine Breitbandsonde gemeinsam eingesetzt. Ungünstig ist hier, dass zwei Zirkondioxidsondentypen miteinander verglichen werden, die im Prinzip auf derselben Konstruktionsbasis beruhen und beide permanent den gleichen Abgasen und Temperaturen ausgesetzt sind. Somit werden zumindest gleiche Alterungsanteile bei beiden Sonden auftreten.
DE 10 2012 208 092 A1 schlägt ein Verfahren und eine Steuereinheit zur Kompensation eines Spannungsoffsets in einer Zweipunkt-Lambda-Sonde vor, wobei für eine Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambda-Sonde die Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie bestimmt und mit der Steigung einer Referenz-Spannungs-Kennlinie bei der gleichen Ausgangsspannung verglichen wird und wobei aus einer Abweichung der bestimmten Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie von der Steigung von der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie der Spannungsoffset bestimmt wird. Hierzu muss man in der Lage sein, das Brennstoff-Luft-Verhältnis bzw. die sich daraus ergebende Verbrennungszahl gezielt und in bekannter, definierter Abhängigkeit ändern zu können, was bei beispielsweise Kraftfahrzeugen mit exakt bekannten Kenngrößen für den Brennstoff und Einrichtungen zur Luftstrommessung möglich sein mag, aber bei den beschriebenen Anwendungen, insbesondere in einem Glasschmelzofen, praktisch nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, genauere Regelung der Zusammensetzung eines Gasgemischs im Hinblick auf eine einzustellende Verbrennungszahl zu erlauben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Messsystem als erstes Messelement eine beheizte, potentiometrische Zirkondioxidmesseinrichtung und als zweites Messelement eine ein von dem Messverfahren des ersten Messelements unterschiedliches, zweites, den Sauerstoffanteil nicht beeinflussendes Messverfahren nutzende Sauerstoffmesseinrichtung aufweist und eine steuerbare Mischeinrichtung zum Zusammenführen der Komponenten zu dem Gasgemisch verwendet wird, wobei beide Messelemente in einem unreagierten Gasstrom des Gasgemisches messen,

– wobei in einem Messvorgang die Messeinrichtung derart eingestellt wird, dass sich ein ausgezeichneter, vorbestimmter Wert für die Verbrennungszahl an dem ersten Messelement einstellt, und bei eingestelltem vorbestimmten Wert mit dem zweiten Messelement ein zugeordneter Sauerstoffanteil in dem Gasgemisch erfasst wird, und
– wobei die Überprüfung und/oder Kalibrierung in Abhängigkeit des Messergebnisses des Messvorgangs erfolgt.

Erfindungsgemäß wird also die Eigenschaft von beheizten, potentiometrischen Zirkondioxidmesseinrichtungen (Sprungsonden) genutzt, dass sich Effekte der Alterung und Drift auf zumindest einen ausgezeichneten Punkt in der Messcharakteristik, der weiterhin einem klar bestimmten Wert für die Verbrennungszahl zugeordnet ist, wenigstens bei beheizten Zirkondioxidmesseinrichtungen nicht auswirken, so dass sich zumindest dieser eine Punkt relativ genau wieder auffinden lässt, mithin auch der zu dem vorbestimmten Wert der Verbrennungszahl an diesem Punkt gehörige Sauerstoffanteil dank des zweiten Messelements aufgefunden und zugeordnet werden kann. Dabei ist der vorbestimmte Wert der Verbrennungszahl bevorzugt λ = 1,0, nachdem in diesem Bereich der Sprung, wie Untersuchungen gezeigt haben, auch dann vorliegt, wenn Alterungseffekte auf die Zirkondioxidmesseinrichtung Einfluss genommen haben. In diesem Kontext wird also durch eine entsprechende Regelung zur Überprüfung und/oder Kalibrierung das Mischverhältnis der Komponenten oder zumindest der Sauerstoffgehalt im zu messenden Gasstrom so eingestellt, dass an der Zirkondioxidmesseinrichtung, also der Lambda-Sonde, der Sprungpunkt bei λ = 1,0 erreicht wird. Dies ist zwar nur ungefähr, etwa mit +–0,02 Lambda, möglich, da an diesem Sprungpunkt meist hohe Instabilität herrscht und/oder die Regelorgane nicht mit der erforderlichen Präzision verstellbar sind, allerdings ist die Genauigkeit genügend, um die Messergebnisse dieses Messvorgangs zu nutzen, um insgesamt die Genauigkeit des Messsystems zu verbessern. Bei dem vorbestimmten Wert der Verbrennungszahl, insbesondere also bei λ = 1,0 wird dann an der noch unverbrannten Gasmischung mit einem zweiten, unabhängigen Messverfahren unter Nutzung des zweiten Messelements der zugehörige Sauerstoffanteil ermittelt. Wie im Folgenden näher dargelegt werden wird, ist es damit zwar grundsätzlich denkbar, zumindest grob den aktuell dem vorbestimmten Wert der Verbrennungszahl zugeordneten Sauerstoffanteil zu bestimmen und somit beispielsweise eine Anzeige des Sauerstoffanteils und/oder das zweite Messelement selbst zu kalibrieren, besonders bevorzugt ist es jedoch, die Ergebnisses dieses Messvorgangs zu weiteren Messungen zu nutzen, die es erlauben, die ohnehin genauer messende Zirkondioxidmesseinrichtung genauer einzustellen, insbesondere was Effekte der Alterung und deren Kompensation angeht.
Besonders bevorzugt ist es im erfindungsgemäßen Verfahren im Allgemeinen, wenn an dem ersten Messelement eine wenigstens im Wesentlichen vollständige Reaktion des Sauerstoffs mit dem oxidierbaren Bestandteil erfolgt, wobei die Messung mit dem ersten Messelement an dem entstehenden reagierten Gasgemisch stattfindet. Zwar ist es grundsätzlich denkbar, auch zusätzliche Verbrennungsöfen (Referenzöfen) für Anteile des Gasgemisches einzusetzen, um diesen folgend eine Zirkondioxidmesseinrichtung anzuordnen, jedoch sind bereits bekannte Zirkondioxidmesseinrichtungen, an denen die Reaktion katalytisch vollständig umgesetzt wird und innerhalb der Sprungsonde definierte Messbedingungen vorliegen, deutlich bevorzugt. Beispielsweise kann eine Zirkondioxidmesseinrichtung verwendet werden, wie sie in der eingangs genannten DE 199 48 270 B4 offenbart wurde. Bevorzugt nutzt die Zirkondioxidmesseinrichtung katalytisches Platin als Elektroden und/oder wird bei 900°C beheizt betrieben.
Dabei sei an dieser Stelle nochmals angemerkt, dass sich verschiedene Angaben, beispielsweise bezüglich der Verbrennungszahl, auf Sachverhalte beziehen, die, wie dem Fachmann bekannt ist, Schwankungen unterworfen sein können. Wie dies bereits bezüglich des vorbestimmten Werts der Verbrennungszahl erwähnt wurde, existieren Mess- und/oder prinzipbedingte Genauigkeitsschranken, innerhalb derer die entsprechenden Angaben zu verstehen sind. So kann es beispielsweise auch an einem anderen Ort als dem vorgesehenen Reaktionsort bzw. in der Zirkondioxidmesseinrichtung zu Oxidationsvorgängen kommen, welche aber unwesentlich sind und keinerlei Einfluss auf die hier beschriebene Überprüfung und/oder Kalibrierung ausüben.
Beispielsweise kann es sich bei dem zweiten Messverfahren um ein paramagnetisches und/oder ein elektrochemisches Messverfahren handeln. Bei paramagnetischen Sauerstoffmesseinrichtungen wird ausgenutzt, dass Sauerstoff ein paramagnetisches Gas ist, welches sich in einem Magnetfeld ausrichtet und entsprechend von einem ausreichend starken Magneten angezogen werden kann. Dieser Effekt ist von der Sauerstoffkonzentration abhängig und verschwindet bei höheren Temperaturen. Bei einem elektrochemischen Sensor werden üblicherweise Elektroden verwendet, die einerseits über ein elektrisch leitendes Medium (Elektrolyt) Kontakt haben, andererseits über einen äußeren elektrischen Stromkreis. Sie werden auch als amperometrische Sauerstoffmesseinrichtungen bezeichnet, da hier die Ausbildung eines Stroms vermessen wird.
Paramagnetische Sauerstoffmesseinrichtungen werden dabei bevorzugt, da sie eine genauere Messung erlauben.
Während es grundsätzlich möglich ist, mit dem ersten Messelement auch im Hauptstrom der Gasmischung, der durch eine entsprechende Hauptleitung von der Mischeinrichtung zu dem wenigstens einen entsprechenden Reaktionsort geführt wird, zu messen, ist dies aufgrund des Einflusses auf die Zusammensetzung aufgrund der reaktiven Umsetzung in ein zu messendes, reagiertes Gasgemisch weniger bevorzugt.
Daher sehen bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung vor, dass ein von dem zu dem wenigstens einen Reaktionsort, insbesondere Verbrennungsort, des Gasgemisches führender Hauptstrom abgezweigter Gasstrom zur Messung mit dem ersten Messelement verwendet wird, wobei hier insbesondere auch die Menge bzw. der Durchfluss der Gasmischung durch eine solche dedizierte Messleitung, die von der Hauptleitung abzweigt, an das reaktive Umsetzungspotential der Zirkondioxidmesseinrichtung angepasst werden kann. In diesem Kontext kann zweckmäßig vorgesehen sein, dass das zweite Messelement ebenso in dem dem ersten Messelement zuzuführenden Gasstrom misst. Nachdem die Verwendung des zweiten Messelements keinen wesentlichen Einfluss auf die Zusammensetzung des Gasgemisches hat, insbesondere also keine oder zumindest keine wesentliche Reaktion durch die Messung stattfindet, kann zur Sicherstellung einer gleichen Messgrundlage derselbe Gasstrom für beide Messungen verwendet werden. Der Gasstrom passiert dann zunächst das zweite Messelement, wo der Sauerstoffanteil gemessen werden kann, um dann dem ersten Messelement, der Zirkondioxidmesseinrichtung, zugeleitet zu werden. In einer alternativen, weniger bevorzugten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass das zweite Messelement in einem dem dem ersten Messelement zuzuführenden Gasstrom parallelen Gasstrom misst. In diesem Fall sind mithin beispielsweise zwei Messleitungen vorgesehen, von denen eine dem ersten Messelement, die zweite dem zweiten Messelement zugeordnet ist.
In einer weniger bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zweite Messelement, dessen Messwerte im Rahmen einer Regelung auf eine Verbrennungszahl des Gasgemischs zur Ansteuerung der Mischeinrichtung verwendet werden, kalibriert wird, indem der in dem Messvorgang ermittelte, dem vorbestimmten Wert für die Verbrennungszahl zugeordnete Sauerstoffanteil zur Aktualisierung eines zur Umrechnung von Sauerstoffanteil zu Verbrennungszahlen verwendeten, mathematischen Zusammenhangs verwendet wird. Mit anderen Worten erlaubt es das erfindungsgemäße Vorgehen in dieser ersten alternativen Ausführungsform zu bestimmen, bei welchem Wert für den Sauerstoffanteil aktuell die Verbrennungszahl λ = 1,0 gegeben ist. Auf diese Weise kann bei einem hinreichend genau messenden zweiten Messelement mithin festgestellt werden, ob sich beispielsweise die Gaszusammensetzung einer der Komponenten verändert hat bzw. eine Annahme nicht mehr zutrifft, die das bisherige Regelziel definiert hat. Wie eingangs jedoch bereits dargelegt wurde, sind Messwerte des zweiten Messelements, welches ja insbesondere auf einem elektrochemischen und/oder einem paramagnetischen Messverfahren basiert, aufgrund ihrer Messeigenschaften und ihrer mangelnden Sensitivität hinsichtlich oxidierender bzw. reduzierender Verbrennungsatmosphären ohnehin weniger geeignet, so dass es bevorzugt ist, in dem im Folgenden beschriebenen alternativen zweiten Ausführungsbeispiel das erste Messelement, also die Sprungsonde, hinsichtlich von Alterungserscheinungen zu kalibrieren, wobei hier der Messvorgang als ein Ausgangspunkt für weitere Messungen herangezogen wird.
Denn Untersuchungen und Berechnungen haben gezeigt, dass zwar die absolute Lage des Sauerstoffanteils für den vorbestimmten Wert der Verbrennungszahl, insbesondere λ = 1,0, stark von unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere Kenngrößen der verwendeten Komponenten und Gase, abhängt, diese Abhängigkeit jedoch für Änderungen des Sauerstoffanteils und ihre Zuordnung zu Änderungen der Verbrennungszahl, zumindest um den stöchiometrischen Punkt herum und für gleiche Brenngase bzw. Brenngase gleicher Gattung, die sich nur in Kenngrößen unterscheiden, deutlich geringer ausfällt, und somit vernachlässigbar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass beispielsweise unabhängig von dem absoluten Wert des Sauerstoffanteils, der dem stöchiometrischen Punkt λ = 1,0 entspricht, sich ein Abweichen von der Verbrennungszahl λ = 1,0, beispielsweise um 0,1, in im Wesentlichen, also innerhalb der Messgenauigkeiten, gleichen Änderungen des Sauerstoffanteils äußert. Dies gilt zumindest für Brenngase gleicher Gattung Brenngase und deren variierende Kenngrößen.
Entsprechend sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass zur Überprüfung und/oder Kalibrierung des ersten Messelements in Abhängigkeit des Messergebnisses des Messvorgangs nach dem Messvorgang folgende Schritte durchgeführt werden:

– Einstellen wenigstens eines weiteren gemessenen Sauerstoffanteils an dem zweiten Messelement durch Ansteuerung der Mischeinrichtung, wobei die Differenz des im Messvorgang gemessenen Sauerstoffanteils und jeweils eines weiteren Sauerstoffanteils einer vorgegebenen Verbrennungszahldifferenz zugeordnet ist,
– Messung einer gemessenen Verbrennungszahl mit dem ersten Messelement für jeden eingestellten weiteren Sauerstoffanteil,
– für jeden weiteren Sauerstoffanteil Vergleich der sich aus der vorbestimmten Verbrennungszahl und der Verbrennungszahldifferenz ergebenden erwarteten Verbrennungszahl mit der jeweiligen gemessenen Verbrennungszahl.

Erfindungsgemäß ist in dieser Ausgestaltung wenigstens einer Verbrennungszahldifferenz eine Sauerstoffanteildifferenz zugeordnet, bevorzugt mehreren, insbesondere einer geraden Anzahl von Verbrennungszahldifferenzen, die symmetrisch in einem relevanten Verbrennungszahlbereich um die vorbestimmte Verbrennungszahl, bevorzugt λ = 1,0, angeordnet sind. Aus Untersuchungen zu Methan als Brenngas hat sich beispielsweise ergeben, dass in guter Näherung einer Verbrennungszahldifferenz von 0,05 eine Sauerstoffanteildifferenz von ca. 0,1 %, ausgehend von λ = 1,0, zugeordnet werden kann. Zweckmäßigerweise können diese Werte im Übrigen auch für eine neue Zirkondioxidmesseinrichtung durch Messungen bestimmt werden, so dass im Allgemeinen gesagt werden kann, dass die den Verbrennungszahldifferenzen zugeordneten Sauerstoffanteildifferenzen empirisch ermittelt und/oder berechnet werden können. Beispielsweise kann bei Verbau einer neuen Zirkondioxidmesseinrichtung in dem Messsystem eine erste Messung durchgeführt werden, in der beobachtet wird, welche Veränderungen im Sauerstoffanteil ausgehend von λ = 1,0 an diesem ersten Messelement vorgenommen werden müssen, um bestimmte andere Werte von der Verbrennungszahl zu erreichen, die um die Verbrennungszahldifferenz von λ = 1,0 (bzw. dem vorbestimmten Wert im Allgemeinen) beabstandet sind. Dabei können mehrere derartige erste Messungen, beispielsweise für unterschiedliche Kenngrößen der verwendeten Komponenten und Gase statistisch kombiniert werden. Altert die Zirkondioxidmesseinrichtung nun, werden die gemessenen Werte der Verbrennungszahl, die sich bei einer entsprechenden Veränderung des Sauerstoffanteils ergeben, von den erwarteten Werten der Verbrennungszahl abweichen, so dass im Rahmen einer Überprüfung eine Alterung festgestellt werden kann und/oder eine Kalibrierung entsprechend aktualisiert werden kann.
Dabei wird ausgenutzt, dass es durch die Mischeinrichtung (welche, wie noch dargelegt werden wird, auch eine zusätzliche Komponente in einem zur Messung von einem Hauptstrom abgezweigten Gasstrom oder zur Erzeugung eines gänzlich getrennten Gasstroms zur Kalibrierung) umfassen kann) und das zweite Messelement problemlos möglich ist, das Gasgemisch zumindest im Messbereich auf einen neuen Sauerstoffanteil, der sich aus dem im Messvorgang ermittelten, dem vorbestimmten Wert der Verbrennungszahl zugeordneten Sauerstoffanteil und der Sauerstoffanteildifferenz, die der vorgegebenen Verbrennungszahldifferenz zugeordnet ist, ergibt, einzustellen, wobei auch eine entsprechende Einregelung vorgesehen sein kann. Ist der zu vermessende weitere Sauerstoffanteil erst eingestellt, erfolgt auch eine Messung seitens des ersten Messelements, welche einen gemessenen Wert für die Verbrennungszahl liefert, welcher mit dem erwarteten Wert für die Verbrennungszahl, der sich aus dem vorbestimmten Wert für die Verbrennungszahl und der zugeordneten, vorgegebenen Verbrennungszahländerung ergibt, verglichen werden kann. Zusammenfassend wird also nach dem bereits ausführlich beschriebenen Messvorgang das Mischungsverhältnis der Komponenten so eingestellt, dass sich zu dem mit dem zweiten Messelement im Messvorgang ermittelten Sauerstoffanteil eine Differenz des Sauerstoffanteiles, mithin eine Sauerstoffanteilsdifferenz einstellt, die einer bekannten, empirisch ermittelten und/oder berechneten Verbrennungszahldifferenz zu dem vorbestimmten Wert der Verbrennungszahl zugeordnet ist und die mit der Differenz der gemessenen Verbrennungszahl der beheizten potentiometrischen Zirkondioxidmesseinrichtung verglichen wird, woraus die Abweichung der gemessenen Verbrennungszahl zu der erwarteten Verbrennungszahl, die sich letztlich aus der Messung mit dem zweiten Messelement ergibt, ermittelt werden kann.
Entsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vor, dass abhängig von der wenigstens einen sich im Vergleich ergebenden Abweichung eine Korrektur der Messwerte des ersten Messelements, dessen Messwerte im Rahmen einer Regelung auf eine Verbrennungszahl des Gasgemischs zur Ansteuerung der Mischeinrichtung verwendet werden, vorgenommen wird. Eine festgestellte Abweichung wird mithin zur Korrektur der Messwerte des ersten Messelements, die zur regelnden Ansteuerung der Mischeinrichtung verwendet werden, eingesetzt, um Soll-Verbrennungszahlen im Gasgemisch verlässlicher und genauer erreichen zu können. Dabei kann die Korrektur der Messwerte des ersten Messelements auf verschiedenen Ebenen erfolgen, beispielsweise bereits durch Korrektur einer gemessenen Spannung in der Zirkondioxidmesszelle der Zirkondioxidmesseinrichtung, oder aber erst, nachdem aus diesen unmittelbaren Messwerten (Rohdaten) der Sauerstoffgehalt oder eine Verbrennungszahl abgeleitet wurde.
Es hatte sich ja gezeigt, dass bei der Alterung von Zirkondioxidmesseinrichtungen zumindest dann, wenn die Messbedingungen gleichbleiben, der Sprung weiterhin bei λ = 1,0 liegt, jedoch Abweichungen für die Verbrennungszahlen um λ = 1,0 herum auftreten können, die auf diese Weise jedoch korrigiert werden können. Auf diese Weise ist mithin eine Kalibrierung der beheizten potentiometrischen Zirkondioxidmesseinrichtung gegeben. Es hat sich gezeigt, dass durch die Alterung der Messfehler zu realen Werten der Verbrennungszahl führt, die näher an dem stöchiometrischen Punkt von λ = 1,0 liegen, was jedoch dank des erfindungsgemäßen Vorgehens geeignet korrigiert werden kann.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Einstellung des vorbestimmten Werts für die Verbrennungszahl und/oder weiteren Sauerstoffanteils in dem zum Zwecke der Messung von dem zu einem Reaktionsort geführten Hauptstrom der Gasmischung abgezweigten Gasstrom einen nur den abgezweigten Gasstrom beeinflussende, ansteuerbare Zufügungseinrichtung für wenigstens ein den Sauerstoffgehalt des Gasstroms beeinflussendes Gas, insbesondere die erste und/oder die zweite Komponente und/oder Sauerstoff, verwendet wird. Das bedeutet, in dem Gasstrom messen zunächst die zweite Messeinrichtung, dann die erste Messeinrichtung. Beiden vorgeschaltet ist die Zufügungseinrichtung vorgesehen, die im Übrigen im Rahmen der Überprüfung und/oder Kalibrierung der Zirkondioxidmesssonde auch im zunächst erfolgenden Messvorgang genutzt werden kann, um den ausgezeichneten Messpunkt der Zirkondioxidmesseinrichtung aufzufinden, indem nur in dem vom Hauptstrom abgezweigten Gasstrom eine Regelung auf diesen Punkt und somit den vorbestimmten Wert der Verbrennungszahl bewerkstelligt wird, ohne dass hierbei der Hauptstrom und somit das übergelagerte Arbeitsverfahren beeinflusst würde. Nachdem sich auch die folgenden Schritte, also die Messungen bei weiteren Sauerstoffanteilen, mittels der Zufügungseinrichtung durchführen lassen, kann mithin die gesamte Kalibrierung und/oder Überprüfung unabhängig vom Hauptstrom des Gasgemisches, der zu dem wenigstens einen Reaktionsort geführt wird, stattfinden.
Es wird darauf hingewiesen, dass aufgrund der möglichen Abhängigkeiten die Gasmischung durch die Zufügungseinrichtung bevorzugt in ihrer Zusammensetzung möglichst wenig beeinflusst wird, was am einfachsten dadurch realisiert werden kann, dass die erste Komponente, die zweite Komponente und/oder Sauerstoff hinzugefügt werden können. Sollten andere Hinzufügungen gewünscht sein, bietet es sich am ehesten an, Gase zu verwenden, die auch Teil der Komponenten sind, beispielsweise Methan bei Erdgas oder Butan bei LPG als oxidierbare Bestandteile.
Es ist im Übrigen grundsätzlich auch denkbar, die Kalibrierung und/oder Überprüfung vollständig getrennt von einem derartigen Hauptstrom vorzunehmen, also in einem dedizierten Gasstrom. Dabei wird die Zuführleitung bzw. Messleitung gegen den Hauptstrom gesperrt und durch eine Erzeugungseinrichtung der Mischeinrichtung, die mit der Zuführleitung verbunden ist, ein spezieller Gasstrom zur Kalibrierung und/oder Überprüfung erzeugt, an dem die genannten Schritte des Verfahrens durchgeführt werden. Für den Zeitraum der Kalibrierung und/oder Überprüfung wird mithin die Messung an dem Hauptstrom bzw. dem daraus abgezweigten Mess-Gasstrom für den Normalbetrieb ausgesetzt.
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass im Falle der ersten Ausführungsform, also bei Überprüfung und/oder Kalibrierung des zweiten Messelements, welches die Regelung auf eine Soll-Verbrennungszahl beeinflusst, aufgrund der dort eher wechselnden Bedingungen, insbesondere Kenngrößen der Komponenten, häufiger zyklisch durchgeführt werden müssten, beispielsweise in Minutenabständen und/oder Abständen von 1 bis 20 Minuten. Dahingegen treten Alterungseffekte an beheizten potentiometrischen Zirkondioxidmesseinrichtungen auf einer langsameren Zeitskala ein, so dass vorzugsweise die Überprüfung und/oder Kalibrierung seltener erfolgen kann, beispielsweise auch zyklisch in Abständen von Wochen oder Monaten. Außerhalb der Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens zur Überprüfung und/oder Kalibrierung kann das zweite Messelement entweder unbenutzt sein oder aber auch genutzt werden, um, so dies gewünscht ist, Sauerstoffanteile für eine entsprechende Anzeigeeinrichtung zu messen., so dass insbesondere nicht von der Zirkondioxidmesseinrichtung gelieferte Verbrennungszahlen in Sauerstoffanteile umgerechnet werden müssen, obwohl keine verlässliche Basis zum Sauerstoffanteil bei λ = 1,0 vorliegt. So können dennoch aktuelle Werte zum Sauerstoffanteil wiedergegeben werden.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung kann das Gasgemisch in einem Glasschmelzofen verwendet werden, insbesondere zur Befeuerung wenigstens eines einer Arbeitswanne und/oder einer Zuführrinne zugeordneten Brenners, wobei das Messsystem zur Regelung einer aktuellen Verbrennungszahl des Gasgemisches auf einen Sollwert durch Ansteuerung der Mischeinrichtung ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Vorgehen zur Überprüfung und/oder Kalibrierung insbesondere der Zirkondioxidmesseinrichtung ist also mit besonderem Vorteil im Rahmen der Glasverarbeitung, insbesondere in einem Glasschmelzofen, zweckmäßig, da sich dort der Einfluss der Verbrennungsatmosphäre insbesondere auch auf die Qualität der entstehenden Produkte deutlich gezeigt hat. Mithin lässt sich in Glasschmelzöfen durch Einsatz der Erfindung eine verbesserte Messung, somit eine verbesserte Einstellung einer Soll-Verbrennungszahl und in Konsequenz eine verbesserte Qualität der erzeugten Glaswaren erreichen. Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass unter einer Zuführrinne (Feeder) eine Einrichtung verstanden werden soll, die das zu verarbeitende Glas einer entsprechenden Formeinrichtung, beispielsweise zur Erzeugung einer Flasche, zuführt.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch ein Messsystem für ein bezüglich des Sauerstoffanteils zu vermessendes Gasgemisch, umfassend wenigstens eine erste, Sauerstoff umfassende, Komponente und eine zweite, wenigstens einen zur oxidativen Reaktion mit Sauerstoff vorgesehenen, oxidierbaren Bestandteil enthaltende Komponente, wobei das Messsystem als erstes Messelement eine beheizte, potentiometrische Zirkondioxidmesseinrichtung (potentiometrische Lambda-Sonde bzw. Sprungsonde) und als zweites Messelement eine ein von dem Messverfahren des ersten Messelements unterschiedliches, zweites, den Sauerstoffanteil nicht beeinflussendes Messverfahren nutzende Sauerstoffmesseinrichtung aufweist und eine steuerbare Messeinrichtung zum Zusammenführen der Komponenten zu dem Gasgemisch verwendet wird, wobei beide Messelemente in einem unreagierten Gasstrom des Gasgemisches messen, wobei das Messsystem ferner eine Steuereinrichtung aufweist, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Messsystem übertragen, mit welchem mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
Es sei im Übrigen an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Untersuchungen zur vorliegenden Erfindung auch ergeben haben, dass die relative Luftfeuchte bzw. der Sauerstoffgehalt von Referenzluft, die der Zirkondioxidmesseinrichtung zugeführt wird, relativ wenig Einfluss auf die Bestimmung der Verbrennungszahl mittels der Zirkondioxidmesseinrichtung hat, so dass dieser Einfluss im Wesentlichen vernachlässigt werden kann. Beispielsweise kann für den Sauerstoffanteil in der Referenzluft bei Berechnungen derselbe Wert angenommen werden wie für den Sauerstoffanteil der als erste Komponente dem Gasgemisch zugeführten Verbrennungsluft.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Messsystem mit anzusteuernden Komponenten in einem Glasschmelzofen,
2 einen ersten Graphen zur Erläuterung eines der Erfindung zugrunde liegenden Gedankengangs,
3 einen zweiten Graphen zur Erläuterung eines der Erfindung zugrunde liegenden Gedankengangs, und
4 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems 1 und anzusteuernder Komponenten, vorliegend im Einsatz in einem Glasschmelzofen, bei dem ein durch den Pfeil 2 angedeutetes Brenngas und eine durch einen Pfeil 3 angedeutete Verbrennungsluft durch eine Mischeinrichtung 4, die ansteuerbar ist, zu einem Gasgemisch (häufig auch als Vormischung bezeichnet) zusammengeführt werden, wobei die Verbrennungsluft als erste Komponente Sauerstoff als oxidierenden Bestandteil enthält, Brenngas als zweite Komponente wenigstens einen oxidierbaren und auch konkret zu oxidierenden Bestandteil. Das Gasgemisch wird durch eine Hauptleitung 5 in einem Hauptstrom 6 einer Brenneranordnung 7 zugeführt, welche wenigstens einen Brenner oder eine aus mehreren Brennern zusammenfassende Brennergruppe aufweist. Der Brenner oder die Brennergruppen können hierbei in dem Glasschmelzofen eine Arbeitswanne und/oder wenigstens eine Zuführrinne zu einer Formeinrichtung für das zu verarbeitende Glas beheizen.
Nachdem hierzu bestimmte Verbrennungsatmosphären eingestellt werden müssen, die sich auch für verschiedene Brenneranordnungen 7 und/oder Brennergruppen unterscheiden können, wird für den Gasstrom durch eine Steuereinrichtung 8 eine Soll-Verbrennungszahl vorgegeben, auf die mittels der Mischeinrichtung 4 und einer Sauerstoffmesseinrichtung geregelt wird, worauf im Folgenden noch genauer eingegangen werden wird. So ist es möglich, beispielsweise leicht oxidierende oder leicht reduzierende Verbrennungsatmosphären in der Arbeitswanne und/oder einer Zuführrinne (Feeder) einzustellen.
Vorliegend stammen die der Regelung zugrundeliegenden Messwerte für die Verbrennungszahl von einem ersten Messelement 9, welches vorliegend als eine beheizbare, potentiometrische Zirkondioxidmesseinrichtung 10 (sprungbasierte Lambda-Sonde bzw. Sprungsonde) ausgebildet ist, der über eine Messleitung bzw. Zuführungsleitung 11 ein von dem Hauptstrom 6 abgezweigter Gasstrom 12 der noch immer unreagierten Gasmischung zugeführt wird. Die Zirkondioxidmesseinrichtung 10 wird durch die Beheizung bei definierten Bedingungen betrieben, beispielsweise bei 900 °C, und weist katalytische Elektroden auf, vorzugsweise aus Platin, welche es ermöglichen, dass der eintreffende, unreagierte Gasstrom an der Zirkondioxidmesszelle 10 vollständig in reagiertes Gasgemisch umgesetzt wird, bevor die eigentliche Messung stattfindet. Das bedeutet aber, dass der Sprungpunkt der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 in etwa bei λ = 1,0 liegt. Aufgrund der so hergestellten definierten Messbedingungen ist ein Vorteil der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 gegenüber Anordnungen gegeben, in denen erst eine tatsächliche Verbrennung in einem Referenzofen stattfindet, bevor das so verbrannte Gasgemisch der Zirkondioxidmesseinrichtung zugeführt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren auch bei Anordnungen anwendbar ist, bei denen erst eine tatsächliche Verbrennung in einem Referenzofen stattfindet, bevor das so verbrannte Gasgemisch der Zirkondioxidmesseinrichtung zugeführt wird.
Durch Alterung der Zirkondioxidmesseinrichtung aufgrund verschiedener Effekte kann es trotz der definierten Messbedingungen zu einer Veränderung der Messcharakteristik kommen. Zwar liegt der Sprungpunkt noch immer etwa bei λ = 1,0, jedoch tendieren die Messergebnisse aufgrund der alterungsbedingten Veränderung der Messcharakteristik dazu, stärker von λ = 1,0 abweichende Messwerte für die Verbrennungszahl auszugeben, als diese tatsächlich sind.
Daher ist die Steuereinrichtung 8 ausgebildet, ein Überprüfungs- und Kalibrierungsverfahren für die Zirkondioxidmesseinrichtung 10 durchzuführen, beispielsweise regelmäßig in zyklischen Zeitabständen. Im Rahmen dieses Überprüfungs- und Kalibrierungsverfahren wird als zweites Messelement 13 vorliegend eine ein paramagnetisches Sauerstoffmessverfahren nutzende weitere Sauerstoffmesseinrichtung 14 eingesetzt, die ebenso an dem Gasstrom 12 misst und der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 vorgeschaltet ist, nachdem sie keinen oder nur vernachlässigbaren Einfluss auf die Zusammensetzung des Gasgemisches im Gasstrom 12 hat. Es sei angemerkt, dass weder die Struktur der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 noch der Sauerstoffmesseinrichtung 14 hier im Detail dargestellt werden sollen, da beides im Stand der Technik hinreichend bekannt ist.
Als einen Teil der Mischeinrichtung 4 kann die Steuereinrichtung 8 auch eine Zufügungseinrichtung 15 ansteuern, die die Zusammensetzung des Gasgemisches im Gasstrom 12 durch Hinzufügen einer der (oder weiterer) Komponenten noch weiter beeinflussen kann, was für die im Folgenden zu diskutierende Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßig ist, da der Hauptstrom 6 von der Überprüfung und Kalibrierung unangetastet bleibt.
Bevor im Detail ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt wird, sei dargelegt, dass das Verfahren auf zwei grundlegenden Feststellungen beruht. Die eine ist die, dass unabhängig von den Alterungserscheinungen der Sprungpunkt der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 weiterhin ungefähr bei λ = 1,0 als zugeordneten, vorbestimmten Wert der Verbrennungszahl liegt. Hierzu zeigt 2 erläuternd einen Graphen, in dem eine Kennlinie 21 einer nichtgealterten Zirkondioxidmesseinrichtung 10 und eine Kennlinie 22 einer gealterten Zirkondioxidmesseinrichtung 10 gezeigt sind. Deutlich zu erkennen ist, dass der Sprungbereich 23 weiterhin bei λ = 1,0 liegt, aber diesem benachbart Veränderungen auftreten. Beispielhaft gezeigt ist dies an zwei Linien, die für die realen Verbrennungszahlen λ = 0,9 und λ = 1,1 stehen, also Verbrennungszahldifferenzen von +/–0,1. Deutlich ist zu sehen, dass bei gealterter Zirkondioxidmesseinrichtung, Kurve 22, ein niedrigerer Spannungswert U gemessen werden wird als bei der Referenz, Kurve 21.
Ferner wurde jedoch festgestellt, dass unabhängig von Schwankungen der Kenngrößen in dem Brenngas, der Verbrennungsluft oder der für die Zirkondioxidmesszelle 10 verwendeten Referenzluft selbst bei einem Wechsel des absoluten Wertes für den Sauerstoffanteil am stöchiometrischen Punkt von λ = 1,0 Verbrennungszahldifferenzen zu dieser vorbestimmten Verbrennungszahl im Rahmen der benötigten Genauigkeit gleiche Differenzen der jeweils zugeordneten Sauerstoffanteile zur Folge haben, wenn bestimmte Brenngase betrachtet werden, beispielsweise Erdgas. Dies sei anhand des Graphen in 3 beispielhaft näher erläutert.
Dort ist als Beispiel für eine veränderliche Kenngröße eines Gasgemischs der minimale Luftbedarf Lmin gegen Differenzen Δ%O2PM des Sauerstoffanteils in der Gasmischung (PM = premix) gegenüber dem Sauerstoffanteil bei λ = 1,00 dargestellt. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass dieser λ = 1,00 entsprechende Sauerstoffanteil selbstverständlich ebenso mit Lmin variiert und hier selbstverständlich die Differenzen zum jeweils passenden Sauerstoffanteil bei λ = 1,00 dargestellt sind.
Gezeigt ist dies für symmetrisch von λ = 1,0 abweichende Werte von λ, nämlich λ = 1,10 (Kurve 16), λ = 1,05 (Kurve 17), λ = 0,95 (Kurve 18) und λ = 1,10 (Kurve 19). Die einzelnen Punkte bei hohem Lmin gelten für das Brenngas LPG, die einzelnen Punkte bei niedrigem Lmin gelten für Stadtgas, wobei die Punkte LPG und Stadtgas lediglich zum groben Vergleich dargestellt sind, nachdem das Wesentliche im hier betrachteten Glasschmelzofen eingesetzte Brenngas Erdgas ist, welches im Bereich 20 mit jeweils drei Punkten dargestellt ist, wobei der mittlere Punkt für ein durchschnittliches Lmin gilt und die beiden äußeren für Extremwerte. Wie deutlich zu erkennen ist, bestehen hinsichtlich der Sauerstoffanteildifferenz kaum Unterschiede, trotzdem für die absoluten Werte des Sauerstoffanteils bei λ = 1,0 deutlichere Unterschiede bestehen. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Messgenauigkeit typischer paramagnetischer und elektrochemischer Sauerstoffmessverfahren, mit welchen die Sauerstoffanteildifferenzen kaum festzustellen wären.
Die dem im Folgenden mit Bezug auf 4 beschriebenen Verfahren zugrundeliegende Idee ist es nun, zunächst, ohne dass der absolute Wert unmittelbare Relevanz hätte, aufgrund der Sprungeigenschaft der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 den Punkt aufzufinden, an dem der ausgezeichnete, vorbestimmte Wert von λ = 1,0 für die Verbrennungszahl vorliegt. Ist dieser erst bekannt, kann auf bestimmte Sauerstoffanteildifferenzen von diesem Punkt ausgehend geregelt werden, um diese einzustellen, nachdem hierzu die Messwerte der Sauerstoffmesseinrichtung 14 herangezogen werden können. Diese vorgegebenen Sauerstoffanteildifferenzen sind gemäß der vorgenannten Überlegungen jedoch bestimmten zu erwartenden Verbrennungszahldifferenzen zugeordnet, aus welchen eine erwartete Verbrennungszahl folgt, die bei noch korrekt eingestellten und nicht gealterten ersten Messelement 9 erwartet würden. Wird also bei den sich aufgrund der Sauerstoffanteildifferenzen ergebenden weiteren eingestellten Sauerstoffanteilen mit der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 gemessen, können diese gemessenen Verbrennungszahlen mit den erwarteten Verbrennungszahlen verglichen werden und es können Abweichungen festgestellt werden, die dann mit erfolgter Kalibrierung zur Korrektur der Messungen mit der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 eingesetzt werden können.
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass das zweite Messelement 13 durchaus auch außerhalb der eher selten notwendigen Kalibrierungen eingesetzt werden kann, beispielsweise, um eine Anzeige eines konkreten Wertes für den Sauerstoffanteil in der Gasmischung zu ermöglichen.
4 zeigt den Überprüfungs- und Kalibrierungsvorgang für die Zirkondioxidmesseinrichtung 10 genauer. Zu Beginn dieses insbesondere zyklisch stattfindenden Kalibrierungsvorgangs wird in einem Schritt S1 mittels der Zufügungseinrichtung 15 die Zusammensetzung des Gasgemisches in dem Gasstrom 12 variiert, woraufhin in einem Schritt S2 überprüft wird, ob der Sprungpunkt der Zirkondioxidmesseinrichtung 10, also die Verbrennungszahl λ = 1,0, erreicht wurde. Ist dies nicht der Fall, wird die Variation S1 gezielt im Sinne einer Regelung fortgesetzt, bis der Sprungpunkt erreicht ist. Ist dies der Fall, wird in einem Schritt S3 mittels der Sauerstoffmesseinrichtung 14 ein entsprechender, zugeordneter Sauerstoffanteil bei λ = 1,0 gemessen.
In einem Schritt S4 werden vorbestimmten, zu vermessenden Verbrennungszahldifferenzen weitere für diese Messung einzustellende Sauerstoffanteile zugeordnet, was leicht möglich ist, nachdem den Verbrennungszahldifferenzen entsprechende Sauerstoffanteildifferenzen zugeordnet sind, die auf den zu λ = 1,0 gemessenen Sauerstoffanteil anzurechnen sind. Durch Regelung mittels der Messwerte der Sauerstoffmesseinrichtung 14 und Ansteuerung der Zufügungseinrichtung 15 wird nun einem Schritt S5 der erste dieser weiteren Sauerstoffanteile im Schritt S5 eingestellt. Ist dies erreicht, wird in einem Schritt S6 ein dem weiteren Sauerstoffanteil und somit der entsprechenden Verbrennungszahldifferenz zuzuordnende Verbrennungszahl mit der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 gemessen.
In einem Schritt S7 wird überprüft, ob alle weiteren Sauerstoffanteile angefahren und vermessen wurden. Zweckmäßigerweise wird eine gerade Anzahl von weiteren Sauerstoffanteilen und mithin zu vermessenden vorgegebenen Verbrennungszahldifferenzen Δλ verwendet, die symmetrisch um λ = 0 verteilt sind, beispielsweise Δλ = +0,05, Δλ = –0,05, Δλ = +0,1 und Δλ = –0,1.
In einem Schritt S8 werden dann die gemessenen Verbrennungszahlen der Zirkondioxidmesseinrichtung 10 mit den erwarteten Verbrennungszahlen 1 + Δλ verglichen, um Abweichungen festzustellen. Treten Abweichungen auf, können diese im zukünftigen normalen Betrieb korrigiert werden, beispielsweise durch Verwendung einer geeigneten Korrekturfunktion.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass selbstverständlich auch andere Konfigurationen grundsätzlich denkbar sind. So kann statt einer paramagnetischen Sauerstoffmesseinrichtung 14 auch eine elektrochemische Sauerstoffmesseinrichtung als zweites Messelement 13 verwendet werden. Die Einstellung von bestimmten Sauerstoffanteilen bzw. auffälligen Messpunkten muss nicht zwangsläufig über die Zufügungseinrichtung 15 erfolgen, sondern kann auch unmittelbar über die den Hauptstrom 6 beeinflussenden Anteile der Mischeinrichtung 4 erfolgen. In diesem Fall kann auch vorgesehen sein, dass das zweite Messelement 13 in einer zusätzlichen, zur Zuführungsleitung 11 parallelen Zuführungsleitung angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/024209 A1 [0011]
DE 19948270 B4 [0011, 0018]
DE 4320881 A1 [0013]
DE 102012208092 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Überprüfung und/oder Kalibrierung wenigstens eines Messelements eines Messsystems (1) für ein bezüglich des Sauerstoffgehalts zu vermessendes Gasgemisch, umfassend wenigstens eine erste, Sauerstoff umfassende Komponente und eine zweite, wenigstens einen zur oxidativen Reaktion mit Sauerstoff vorgesehenen Bestandteil enthaltende Komponente, wobei das Messsystem (1) als erstes Messelement (9) eine beheizte, potentiometrische Zirkondioxidmesseinrichtung (10) und als zweites Messelement (13) eine ein von dem Messverfahren des ersten Messelements unterschiedliches, zweites, den Sauerstoffgehalt nicht beeinflussendes Messverfahren nutzende Sauerstoffmesseinrichtung (14) aufweist und eine steuerbare Mischeinrichtung (4) zum Zusammenführen der Komponenten zu dem Gasgemisch verwendet wird, wobei beide Messelemente (9, 13) in einem unreagierten Gasstrom (12) des Gasgemisches messen, – wobei in einem Messvorgang die Mischeinrichtung (4) derart eingestellt wird, dass sich ein ausgezeichneter, vorbestimmter Wert für die Verbrennungszahl an dem ersten Messelement (9) einstellt, und bei eingestelltem vorbestimmten Wert mit dem zweiten Messelement (13) ein zugeordneter Sauerstoffanteil in dem Gasgemisch erfasst wird, und – wobei die Überprüfung und/oder Kalibrierung in Abhängigkeit des Messergebnisses des Messvorgangs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Messelement (9) eine wenigstens im Wesentlichen vollständige Reaktion des Sauerstoffs mit dem oxidierbaren Bestandteil erfolgt, wobei die Messung mit dem ersten Messelement (9) an dem entstehenden reagierten Gasgemisch stattfindet, und/oder der vorbestimmte Wert der Verbrennungszahl 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Messverfahren des zweiten Messelements (13) ein paramagnetisches und/oder ein elektrochemisches Messverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Messelement (13) in einem dem ersten Messelement (9) zuzuführenden Gasstrom (12) und/oder in einem dem dem ersten Messelement (9) zuzuführenden Gasstrom (12) parallelen Gasstrom misst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Messelement (13), dessen Messwerte im Rahmen einer Regelung auf eine Verbrennungszahl des Gasgemischs zur Ansteuerung der Mischeinrichtung (4) verwendet werden, kalibriert wird, indem der in dem Messvorgang ermittelte, dem vorbestimmten Wert für die Verbrennungszahl zugeordnete Sauerstoffanteil zur Aktualisierung eines zur Umrechnung von Sauerstoffanteilen zu Verbrennungszahlen verwendeten mathematischen Zusammenhangs verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überprüfung und/oder Kalibrierung des ersten Messelements (9) in Abhängigkeit des Messergebnisses des Messvorgangs nach dem Messvorgang folgende Schritte durchgeführt werden: – Einstellen wenigstens eines weiteren gemessenen Sauerstoffanteils an dem zweiten Messelement (13) durch Ansteuerung der Mischeinrichtung (4), wobei die Differenz des im Messvorgang gemessenen Sauerstoffanteils und jeweils eines weiteren Sauerstoffanteils einer vorgegebenen Verbrennungszahldifferenz zugeordnet ist, – Messung einer gemessenen Verbrennungszahl mit dem ersten Messelement (9) für jeden eingestellten weiteren Sauerstoffanteil, – Für jeden weiteren Sauerstoffanteil Vergleich der sich aus der vorbestimmten Verbrennungszahl und der Verbrennungszahldifferenz ergebenden erwarteten Verbrennungszahl mit der jeweiligen gemessenen Verbrennungszahl.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der wenigstens einen sich im Vergleich ergebenden Abweichung eine Korrektur der Messwerte des ersten Messelements (9), dessen Messwerte im Rahmen einer Regelung auf eine Verbrennungszahl des Gasgemischs zur Ansteuerung der Mischeinrichtung (4) verwendet werden, vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des vorbestimmten Werts für die Verbrennungszahl und/oder weiteren Sauerstoffanteils in dem zum Zwecke der Messung von dem zu einem Reaktionsort geführten Hauptstrom (6) der Gasmischung abgezweigten Gasstrom (12) eine nur den abgezweigten Gasstrom (12) beeinflussende, ansteuerbare Zufügungseinrichtung (15) für wenigstens ein den Sauerstoffgehalt des Gasstroms beeinflussendes Gas, insbesondere die erste und/oder die zweite Komponente und/oder Sauerstoff, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch in einem Glasschmelzofen verwendet wird, insbesondere zur Befeuerung wenigstens eines einer Arbeitswanne und/oder einer Zuführrinne zugeordneten Brenners, wobei das Messsystem (1) zur Regelung einer aktuellen Verbrennungszahl des Gasgemisches auf einen Sollwert durch Ansteuerung der Mischeinrichtung (4) ausgebildet ist.
Messsystem (1) für ein bezüglich des Sauerstoffgehalts zu vermessendes Gasgemisch, umfassend wenigstens eine erste, Sauerstoff umfassende Komponente und eine zweite, wenigstens einen zur oxidativen Reaktion mit Sauerstoff vorgesehenen Bestandteil enthaltende Komponente, wobei das Messsystem (1) als erstes Messelement (9) eine beheizte, potentiometrische Zirkondioxidmesseinrichtung (10) und als zweites Messelement (13) eine ein von dem Messverfahren des ersten Messelements (9) unterschiedliches, zweites, den Sauerstoffgehalt nicht beeinflussendes Messverfahren nutzende Sauerstoffmesseinrichtung (14) aufweist und eine steuerbare Mischeinrichtung (4) zum Zusammenführen der Komponenten zu dem Gasgemisch verwendet wird, wobei beide Messelemente (9, 13) in einem unreagierten Gasstrom (12) des Gasgemisches messen, wobei das Messsystem (1) ferner eine Steuereinrichtung (8) aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.