DE102016111657A1

DE102016111657A1 - Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse

Info

Publication number: DE102016111657A1
Application number: DE102016111657.2A
Authority: DE
Inventors: Ralf ZORBACH
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2036-06-25
Also published as: US10067052B2; DE102016111657B4; US20170370829A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse, die ein Gehäuse umfasst, eine Messlanze, deren eine erstes 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, wobei der Strahlengang eine optische Messtrecke innerhalb der Messlanze definiert, ein gasdurchlässiges Filter, durch das das zu messende Gas in die Messstrecke gelangt und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers. Um eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, mit der dem Problem der Kondensatbildung besser begegnet werden kann, ist vorgesehen, dass die Messlanze eine Umwälzvorrichtung zur Umwälzung des Gases in der Messlanze aufweist.

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 vom 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.
Zur Vermeidung von störenden Kondensationen im Inneren der Messlanze, insbesondere bei nassen Messgasen, sind die optischen Grenzflächen gemäß der US 4,549,080 mittels Ringheizeinrichtungen beheizt. Das ist aufwändig und kostspielig und verhindert nicht die Kondensation an anderen Stellen innerhalb der Messlanze. Zusätzliche Kondensatabläufe sind somit notwendig, die aber nicht einfach zu realisieren sind, denn die Messlanze sollte so konstruiert sein, dass das Gas nur durch das Filter in die Messlanze gelangt. In der Regel muss bei Vorhandensein von Kondensat, was in gesättigten nassen Abgasen häufig vorkommt, die Messlanze ausgetauscht oder zumindest gewartet werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, mit der dem Problem der Kondensatbildung besser begegnet 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, deren eine erstes 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, wobei der Strahlengang eine optische Messtrecke innerhalb der Messlanze definiert, ein gasdurchlässiges Filter, durch das das zu messende Gas in die Messstrecke gelangt und eine Auswerte-einrichtung zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers. Erfindungsgemäß weist die Messlanze eine Umwälzvorrichtung zur Umwälzung des Gases in der Messlanze auf.
Es wurde erkannt, dass Wasser in der Messlanze durch Kondensation an der Filterinnenwand entsteht. Das Kondensat entsteht in den kurzen Zeiträumen, in denen Gastemperaturschwankungen vorliegen, wenn also die Temperatur der Filterinnenwand kleiner ist als die Taupunkttemperatur des Gases. Bei vermehrten Temperaturschwankungen um den Taupunkt herum entsteht mehr Kondensat, welches den Filter füllt. Eine Erklärung ist die unterschiedliche Geschwindigkeit von Gasaustausch und Temperaturleitung. Während der Gasaustausch gewollt schnell ist, damit in der Messstrecke möglichst schnell das selbe Gas vorliegt wie im Abgaskanal, ist die Temperaturleitung durch das poröse Filter nicht so schnell. Dann tritt warmes, feuchtes Gas auf eine noch kalte Innenwand und Kondensation setzt ein.
Durch die erfindungsgemäße Umwälzung des Gases in der Messlanze wird in äußerst einfacher Weise ein schneller Temperaturausgleich und eine rege Vermischung bzw. Austausch des Gases in den verschiedenen Bereichen erreicht, insbesondere auch an kritischen Punkten, wie der Filterinnenwand.
Es ist keine aufwändige Konstruktion notwendig. Kondensatablauf- bzw. Abpumpstrecken, deren Funktion von der Einbaulage der Lanze abhängig wären, sind nicht notwendig. Insgesamt ist die Wartungs-Reparatur-Freundlichkeit erheblich erhöht.
Die erfindungsgemäße Umwälzung des Messgases hat noch den positiven Nebeneffekt, dass durch die interne Umwälzung der Gasaustausch zwischen Gas im Abgaskanal und Gas in der Messstrecke beschleunigt wird und die Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sich verbessert.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Umwälzvorrichtung in konstruktiv einfachster Weise als Ventilator ausgebildet.
Wenn die Temperatur an der Filterinnenseite durch einen Temperaturmessfühler erfasst wird, kann in Abhängigkeit dieser Temperatur eine Steuerung des Ventilators erfolgen.
Bevorzugt wird auch die Gastemperatur erfasst durch Temperaturfühler, die standardmäßig vorhanden sind. Die Kondensatbildung lässt sich vermeiden, wenn entweder die Temperatur an der Filterinnenwand größer gehalten wird als der Taupunkt des Messgases. In einer Umwälzvorrichtungssteuereinrichtung kann diese Differenz ausgewertet werden und in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz der Temperatur auf der Filterinnenseite und der Gastemperatur die Umwälzvorrichtung angesteuert werden. Ab einer gewissen Schwelldifferenztemperatur schaltet die Umwälzvorrichtung ein. Unterschreitet die Temperaturdifferenz den festgelegten Schwellwert, kann vom ausgeglichenen Zustand Innen zu Außen ausgegangen werden und die Umwälzvorrichtung schaltet ab. Das erhöht auch die Standzeit der Pumpe.
Kommt zur Bewegung des Gases durch die Umwälzung noch eine Aufheizung mittels einer Heizeinrichtung hinzu, wird die Tröpfchen-/Kondensatbildung noch sicherer vermieden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse in einem Gasstrom.
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, deren eine erstes 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 26 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 in einem Reflektorgehäuse gehalten.
Die Messlanze 30 weist ein Rohr 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. Die Öffnungen 42 in dem Außenrohr 40 sind in diesem Ausführungsbeispiel als zwei größere Schlitzöffnungen 42 ausgebildet, durch die das Messgas 28 über das Filter 44 ein- und austreten kann.
Erfindungsgemäß ist in der Messlanze 30 eine Umwälzvorrichtung 50 angeordnet, mit der das Gas in der Messlanze 30 umgewälzt werden kann, wie durch die Pfeile 52 und 54 angedeutet ist. Die Umwälzvorrichtung 50 ist bevorzugt als Ventilator ausgebildet und wird von einer Umwälzvorrichtungssteuereinrichtung 56 gesteuert. Die Umwälzvorrichtungssteuereinrichtung 56 ist in nicht dargestellter Weise mit einem ersten Temperaturmessfühler 58 verbunden, der die Temperatur an der Innenseite des Filters 44 erfasst und mit einem zweiten Temperaturmessfühler 60 verbunden, der die Temperatur des Gases im Abgaskanal 26 erfasst.
An der Umwälzvorrichtungssteuereinrichtung 56 kann man eine Schwelltemperaturdifferenz zwischen der Temperatur an der Innenseite des Filters 44 und der Temperatur des Gases einstellen, oberhalb derer die Umwälzvorrichtung 50 arbeiten soll.
In die Umwälzvorrichtung 50 kann eine nicht dargestellte Heizeinrichtung zur Beheizung des Messgases in der Messlanze 30 integriert sein, so dass das Gas nicht nur umgewälzt wird, sondern gleichzeitig auch geheizt wird.
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist diese zweigeteilt ausgebildet und weist ein erstes Vorrichtungsteil auf, das wie das des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut sein kann und ein zweites Vorrichtungsteil, das auf der gegenüberliegenden Seite des Kamins 26 angeordnet ist und in dem beispielsweise der Reflektor angeordnet sein könnte. In diesem zweiten Vorrichtungsteil kann auch ein zweiter Lichtempfänger angeordnet sein, der so angeordnet ist, dass er beispielsweise Vorwärts-Streulicht empfangen kann, so dass mit diesem Messgerät auch nach dem Prinzip der Streulichtmessung eine Konzentrationsauswertung von Gasanteilen vorgenommen werden kann. Das mit dem Empfänger aufgenommene Streulicht wird dazu in einer zweiten Auswerteeinrichtung ausgewertet. Diese Ausführungsform mit zwei Teilen an gegenüberliegenden Seiten des Abgaskanals wird auch „cross-duct“ bezeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4549080 [0004, 0005]

Claims

Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse, mit – einem Gehäuse (29), – einer Messlanze (30), deren eine erstes 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 gasdurchlässigen Filter (44), durch das das zu messende Gas in die Messstrecke (16) gelangt, – und einer Auswerteeinrichtung (24) zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers (22), dadurch gekennzeichnet, – dass die Messlanze (30) eine Umwälzvorrichtung (50) zur Umwälzung des Gases in der Messlanze (30) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzvorrichtung (50) als Ventilator ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Filterinnenseite ein Temperaturmessfühler (58) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umwälzvorrichtungssteuereinrichtung (50) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz der Temperatur auf der Filterinnenseite und der Gastemperatur die Umwälzvorrichtung (50) steuert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung zur Beheizung des Messgases in der Messlanze (30) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung in der Umwälzvorrichtung (50) integriert ist.