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Die Erfindung betrifft einen Gasanalysator zur optischen In-situ Gasanalyse in einem Gasstrom, der neben einem zu messenden Gasanteil, dessen Konzentration bestimmt werden soll, die Konzentrationsbestimmung störende Wassertröpfchen und sonstige Aerosole, wie Staub, Rauch, enthält, mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, die zusammen und gegebenenfalls mit einem Reflektor, eine optische Messstrecke in einem Messvolumen definieren, mit einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Empfangssignalen des Lichtempfängers zur Konzentrationsbestimmung, wobei das Messvolumen in einer Messlanze liegt, die quer in den Gasstrom hineinragt und wenigstens zwei vertikal beabstandete Öffnungen aufweist, um einen Teil des Gasstroms durch eine erste Öffnung in das Messvolumen strömen zu lassen und durch die zweite Öffnung aus dem Messvolumen heraus.
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Bei diesen Vorrichtungen handelt es sich beispielsweise um optische Spektrometer, Sichtweitenmessgeräte, In-situ Gasanalysatoren, Tunnelsensoren und dergleichen. In solchen In-situ-Gasanalysatoren werden bestimmte Gasanteile, z. B. Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid, S02, NH3, NO NO2, HCl, HF oder dergleichen, aus dem Spektrum bzw. der Absorption, verursacht durch die Gasmatrix, ermittelt.
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Anwendungsgebiete sind zum Beispiel Emissionsmessungen von Industrieanlagen, bei denen die Abgase 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, Staub, Wassertröpfchen 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 genauso wie zum Beispiel auch ultrafeiner Staub. Es kann dann nicht mehr unterschieden werden, ob die Absorption vom Schwefelwasserstoff herrührt oder von dem Staub. Die störenden Partikel in der Gasmatrix vergrößern somit die Absorption und verkleinern damit den Signal-Rausch-Abstand. Das zulässige Maximum der Absorption bzw. der minimale Signal-Rausch-Abstand wird durch Messtechnik und Auswerteverfahren bestimmt. Überschreitungen des Maximums führen zu Fehlermeldungen, Messfehlern oder hohem Messwertrauschen. Die Verfügbarkeit wird eingeschränkt oder eine Messung unmöglich. Eine Reduzierung der aktiven gasdurchströmten Messstrecke würde zwar die störenden Absorptionen verringern, jedoch parallel dazu auch die Empfindlichkeit der Gasmessung verringern.
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Zur Reduzierung der störenden Absorptionen durch die störenden Partikel ist es bekannt Filter, z.B. Keramikfilter, einzusetzen durch die das Gas strömen muss, bevor es das Messvolumen erreicht. Durch den passiven Betrieb erhöhen sich die Gastauschzeit und damit die Ansprechzeit je nach eingesetztem Filter und Messvolumen sowie in Abhängigkeit von Anströmung und Verschmutzung, jedoch drastisch, was in vielen Anwendungen nicht toleriert werden kann. Bei dem Einsatz von Filtern in nassen Anwendungen dringt zudem Wasserdampf durch den Filter in das Messvolumen ein, wo er dann kondensieren kann und die Funktion des Filters blockiert und damit die Messung verfälscht.
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Zur Reduzierung der störenden Absorptionen durch die störenden Partikel ist es aus der
EP 2 405 254 B1 weiter bekannt, einen Elektrofilter einzusetzen, der die Partikel ionisieren, ablenken und an der Messstrecke vorbeiführen soll. Ein solcher Elektrofilter ist relativ aufwändig, bedarf einer Energieversorgung und ist darüber hinaus nicht ausreichend effektiv.
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Aus der
EP 3 460 452 B1 ist es bekannt, ein quer zur Gasströmung liegendes Lanzenrohr vorzusehen, in dessen Innerem das Messvolumen liegt. Die störenden Partikel können dann nur durch die offenen Stirnseiten in das Messvolumen eintreten. Das reduziert zwar den störenden Partikelanteil im Messvolumen, behindert aber gleichzeitig den Gasstrom des Gases, das gemessen werden soll, denn dieses Gas kann ebenfalls nur über die Stirnseiten in das Messvolumen gelangen. Das reduziert die Ansprechzeit zumeist drastisch.
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Aus der
DE 202016102016 U1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur optischen in-situ Gas-analyse bekannt, bei der die Messlanze ein Außenrohr aufweist und das Außenrohr Öffnungen für das zu messende Gas aufweist, die mittels einer Dichtung verschließbar sind, indem die Dichtung aufblasbar ausgebildet ist.
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Aus der
DE 102013207626 A1 ist ein optischer Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases bekannt, bei dem die optischen Komponenten durch einen vorgeordneten Abscheidekanal vor Verschmutzung geschützt sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Gasanalysator zur optischen Gasanalyse bereitzustellen, mit der der störende Einfluss der im Medium enthaltenen Partikel auf die beabsichtigte Messung noch besser verringert ist und dennoch den Eintritt des zu messenden Gases in das Messvolumen möglichst wenig behindert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Gasanalysator mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßer Gasanalysator zur optischen In-situ Gasanalyse in einem Gasstrom, der neben einem zu messenden Gasanteil, dessen Konzentration bestimmt werden soll, die Konzentrationsbestimmung störende Wassertröpfchen und sonstige Aerosole, wie Staub, Rauch, enthält, umfasst einen Lichtsender und einen Lichtempfänger, die zusammen und gegebenenfalls mit einem Reflektor, eine optische Messstrecke in einem Messvolumen definieren, eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Empfangssignalen des Lichtempfängers zur Konzentrationsbestimmung, wobei das Messvolumen in einer Messlanze liegt, die quer in den Gasstrom hineinragt und wenigstens zwei vertikal beabstandete Öffnungen aufweist, um einen Teil des Gasstroms durch eine erste Öffnung in das Messvolumen strömen zu lassen und durch die zweite Öffnung aus dem Messvolumen heraus. Erfindungsgemäß ist außerhalb des Messvolumens in wenigstens der ersten Öffnung der Messlanze ein Aerosolabscheider angeordnet, der Einzelkanäle aufweist, durch die der das Messvolumen durchströmende Teil des Gasstroms strömt und die Einzelkanäle erzwingen mindestens eine Umlenkung des durchströmenden Gases, so dass kein Anteil des Gases auf geradlinigem Weg in das Messvolumen gelangen kann.
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Mit der Erfindung ist eine effektive Trennung der störenden Partikel von dem Messgas, das in das Messvolumen strömt möglich, denn durch die Umleitung des Gases in den einzelnen Kanälen stoßen die Partikel an die Wände der Kanäle an und bleiben dort haften oder kondensieren dort und können über vorteilhafter Weise vorgesehene Funkstrukturen seitlich ablaufen. Zumindest gelangen Sie nicht mehr in das Messvolumen und die Messung wird nicht mehr gestört. Gleichzeitig ist durch eine solche Abscheidung der Partikel ohne den Einsatz eines Filters der Gasaustausch im Messvolumen und damit die Ansprechzeit erheblich verbessert. Da kein Filter vorgesehen ist, sondern nur Einzelkanäle, tritt keine Verstopfung (eines Filters) auf.
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Es wird keine Energie verbraucht, kein sonstiges Material, z.B. Filtermaterial, verbraucht, woraus sich keinerlei Erhöhung der Betriebskosten ergibt.
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Die Absorptions-/Extinktionsreserve für die Gasmessung wird erhöht, indem der Signal-Rauschabstand und die Messwertstabilität vergrößert sind und indirekt die Messgenauigkeit erhöht ist. Es ist keine Messstreckenverkürzung auf Grund von Tröpfchen, Staub und Aerosolen auf Kosten der Messgenauigkeit erforderlich.
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Die Erfindung ist bei sogenannten Cross-Duct wie auch der Lanzen-Version einsetzbar. Die Wartung und Instandhaltung sind denkbar einfach. Eine Reinigung (wenn erforderlich) kann deshalb auch durch ungeschultes Personal erfolgen.
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Erfindungsgemäß sind die Einzelkanäle aus benachbarten Blechstrukturen gebildet. Ein Einzelkanal besteht aus wenigstens zwei geraden Abschnitten, die einen Winkel zueinander einschließen, so dass durch den Übergang von einem zum anderen Abschnitt die Umlenkung erzwungen wird und die störenden Partikel zwangsweise mit den Kanalwänden in Berührung kommen.
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In Weiterbildung der Erfindung sind an Kanten, an denen die Abschnitte zusammenstoßen, Fangstrukturen ausgebildet, zum Auffangen von sich an den Blechen niederschlagenden und von dort ablaufenden Tröpfchen. Dies soll unter anderem verhindern, dass Tröpfchen unkontrolliert ablaufen und womöglich durch das Messvolumen tropfen.
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Vorteilhafterweise sind die Blechstrukturen durch Tiefziehen von Blechen gebildet. Alternativ könnten sie auch durch additive Fertigung erstellt werden.
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In einer alternativen Ausführung können die Einzelkanäle auch durch versetzt übereinander angeordnete, ebene Lochbleche gebildet sein. Die Einzelkanäle sind dann definiert durch die versetzt angeordneten Löcher der Lochbleche, so dass die störenden Partikel zwangsweise eine Umlenkung erfahren und dabei zwischen den Löchern gegen die Bleche stoßen und dort kondensieren oder sich ablagern können.
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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 ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasanalysators in einem Gasstrom;
- 2 die Vorrichtung aus 1 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie II-II aus 1;
- 3 eine Detaildarstellung eines Aerosolabscheiders der ersten Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung eines Aerosolabscheiders einer alternativen Ausführungsform;
- 5 und 6 schematische Darstellungen nicht-erfindungsgemäßer Alternativen des Aerosolabscheider.
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Ein erfindungsgemäßer Gasanalysator 10 zur Gasanalyse eines Gasstroms 60, der in Richtung 62 in einem Kanal 64 strömt, weist in einem in 1 dargestellten, ersten Ausführungsbeispiel einen Lichtsender 12 auf, der einen Sendelichtstrahl 14 aussendet. Der Sendelichtstrahl 14 definiert ein Messvolumen 16 und wird nach Reflexion an einem Retroreflektor 18 und einem Teilerspiegel 20 von einem Lichtempfänger 22 empfangen. Die durch die Lichtstrahlen 14 gebildete optische Messstrecke umfasst das Messvolumen 16.
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Der Lichtempfänger 22 erzeugt in Abhängigkeit des auftreffenden Lichts Empfangssignale, die in einer Auswerteeinrichtung 24 ausgewertet werden.
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Ein solcher Gasanalysator 10 kann beispielsweise als Transmissiometer ausgebildet sein, so dass mit dem Lichtempfänger 22 die Intensität des durch das Messvolumen 16 hindurchtretenden 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, z. B. von Schwefelwasserstoff, in dem Gasstrom 60 ist, der in dem Kamin 64 geführt ist.
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Der Gasanalysator 10 umfasst weiter ein Gehäuse 29, mit einem lanzenartigen Fortsatz 30, wobei in dem Gehäuse 29 die optoelektronischen Einheiten, wie Lichtsender 12, Lichtempfänger 22 und Auswerteeinrichtung 24 angeordnet sind und in dem lanzenartigen Fortsatz 30 das Licht durch das Messvolumen 16 geführt ist und am Ende dieses Fortsatzes 30 der Retroreflektor 18 gehalten ist.
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Der lanzenartige Fortsatz 30 ist mehrteilig aufgebaut. Direkt an das Gehäuse 29 anschließend ist ein erster Halteteil 32 angeordnet, über den der gesamte Gasanalysator mittels eines Flansches 34 in einer Öffnung 36 des Kamins 64 in der Wandung des Kamins 64 gehalten ist. An das Halteteil 32 schließt sich ein Lanzenrohr 38 an, dessen Funktion und Ausgestaltung weiter unten näher erläutert wird. An das Lanzenrohr 38 wiederum schließt sich ein Endgehäuse 40 an, in dem der Retroreflektor 18 gehalten ist, der in dem Endgehäuse 40 über ein Fenster 48 vor Verschmutzung geschützt ist.
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Alle Komponenten des lanzenartigen Fortsatzes 30 werden von dem Licht 14 in Längsrichtung des Lanzenrohres 38 durchsetzt. Dazu weist das Halteteil 32 beispielsweise Fenster 42 und 44 und das Endgehäuse 40 das Fenster 48 auf. Damit Messgas 60 in das Messvolumen 16 gelangen kann weist das Lanzenrohr 38 in Längsrichtung verlaufende erste und zweite Öffnungen 70 und 72 auf, wobei durch die erste Öffnung 70 das Gas in das Messvolumen einströmen kann und durch die zweite Öffnung 72 aus dem Messvolumen heraus. Ansonsten ist das Lanzenrohr 38 auf seinem Umfang geschlossen.
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Der in dem Kamin 64 geführte Gasstrom 60 besteht aus bestimmten Gasanteilen, von denen wenigstens einer mit dem Gasanalysator 10 gemessen werden soll, also dessen Konzentration bestimmt werden soll. Ein solcher Gasanteil kann wie eingangs bereits erläutert beispielsweise Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid, SO2, NH3, NO NO2, HCl, HF oder dergleichen sein. Diese zu messenden Gasanteile sind in der Zeichnung mit kleinen hohlen Kreisen 66 verdeutlicht. Weiter enthält der Gasstrom die eigentliche Gasmessung störende Partikel, bei denen es sich um Wassertröpfchen, Staub, Rauch oder sonstige Aerosole handeln kann. Diese Partikel sind in der Zeichnung mit gefüllten Kreisen 68 angedeutet (insbesondere in 2 zu erkennen). Diese störenden Partikel 68 stören die eigentliche optische Messung, wenn sie sich in dem Lichtstrahl 14 befinden. Diese Partikel sind als Aerosole in der Regel deutlich größer und schwerer als die zu messenden Gasanteile, die molekular sind.
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Ziel der Erfindung ist es, diese Partikel 68 von dem Messvolumen 16 fern zu halten. Dazu weist wenigstens die erste Öffnung 70, durch die das Gas in das Lanzenrohr 38 eintritt, einen Aerosolabscheider 74 auf. Der Aerolsolabscheider 74 weist Einzelkanäle 76 auf, durch die der das Messvolumen 16 durchströmende Teil des Gasstroms 60 strömt. In den Einzelkanälen 76 erfährt das durchströmende Gas zumindest eine Umlenkung und kann nicht auf geradlinigem Weg in das Messvolumen 16 gelangen. Deshalb werden zumindest die schwereren und trägeren, störenden Partikel 68 gegen eine Kanalwand der Einzelkanäle 76 stoßen und sich dort ablagern oder im Falle von Feuchtigkeit dort kondensieren und somit nicht durch den Aerosolabscheider 74 in das Messvolumen gelangen während der zu messende Gasanteil mit den leichteren Gasanteilen 66 relativ ungehindert durch den Aerosolabscheider 74 hindurchströmt. Die leichteren Gasanteile 66 sind wesentlich leichter abzulenken als die schwereren Partikel 68.
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Die erzwungene Umlenkung wird in dem ersten Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 dadurch erreicht, dass die Einzelkanäle 76 aus benachbarten Blechstrukturen 78 gebildet sind und ein Einzelkanal 76 aus wenigstens zwei geraden Abschnitten 80 und 82 besteht (siehe insbesondere 3), die einen Winkel zueinander einschließen, so dass durch den Übergang von einem zum anderen Abschnitt die Umlenkung erzwungen wird. Ein Einzelkanal 76 hat in diesem Ausführungsbeispiel somit einen zickzack-förmigen Verlauf (1 und 3). Die schwereren Partikel 68 werden zu einem größeren Prozentsatz an den Kanalwänden der Einzelkanäle 76 „hängen bleiben“. Das bedeutet, dass in dem Lanzenrohr 38 und damit im Messvolumen 16 der Anteil an störenden Partikeln 68 erheblich niedriger ist als außerhalb des Lanzenrohres. Die Gasmessung wird daher weniger gestört.
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Vorteilhafterweise ist ein ebensolcher Aerosolabscheider 74-2 auch in der zweiten Öffnung 72 vorgesehen, damit auch bei einer möglichen Rückströmung kein störendes Partikel 68 in das Messvolumen 16 gelangt.
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Vorteilhafterweise sind an Kanten, an denen die Abschnitte 80 und 82 in dem Winkel einander anschließen, Fangstrukturen 90 ausgebildet, zum Auffangen von sich an den Blechen 78 niederschlagenden und von dort ablaufenden Tröpfchen. Über die Fangstrukturen 90 können die Tröpfchen zur Seite abgeführt werden.
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Alternative Formen des Aerosolabscheiders 74 sind in den 4 und 5 dargestellt. In der Ausführungsform nach 4 besteht der Aerosolabscheider 74 aus versetzt und mit Abstand übereinander angeordneten, ebenen Lochblechen 80, 82, 84, so dass die Einzelkanäle gebildet sind durch die versetzt angeordneten Löcher und den Zwischenräumen zwischen den Lochblechen. In der Ausführungsform nach 5 sind die Lochbleche 86 und 88 rohrförmig mit unterschiedlichem Durchmesser ausgebildet und koaxial angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 6 dargestellt ist, ist das Lanzenrohr 38 integral mit dem Aerosolabscheider 74 ausgebildet. Hier besteht das Lanzenrohr 38 selbst aus koaxial zueinander angeordneten, rohrförmigen Lochblechen 90, 92, 94, die versetzt zueinander angeordnet sind, so dass das in das Lanzenrohr 38 einströmende Gas immer eine Umlenkung erfährt und die störenden Aerosole an die Lochbleche 90, 92, 94 stoßen und sich an diesen abscheiden.
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Prinzipiell ist die Erfindung auch in sogenannten „cross-duct“ Anwendungen einsetzbar. In solchen Anwendungen ist der Gasanalysator zweigeteilt aufgebaut und weist einen ersten Vorrichtungsteil auf, der wie das Gehäuse 29 mit seinen elektrooptischen Komponenten des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut ist und einen zweiten Vorrichtungsteil, der auf der gegenüberliegenden Seite des Kamins 64 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 Streulicht empfangen kann, so dass mit dem Gasanalysator dann auch nach dem Prinzip der Streulichtmessung eine Konzentrationsauswertung von Gasanteilen vorgenommen werden kann. Das mit dem zweiten Lichtempfänger aufgenommene Streulicht kann dazu in einer zweiten Auswerteeinrichtung ausgewertet werden.
