DE19627007A1 - System for determining concentration of gas in gas mixture containing liquid drops - Google Patents

System for determining concentration of gas in gas mixture containing liquid drops

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Abstract

The system includes a transmitter (3) for transmitting a light beam (7) penetrating the gas mixture, which is formed by a superimposition of at least two constituents of differing wavelengths. A receiver (10) receives the beam and conducts it further to an evaluation unit, for determining the intensities of its part beams and computing the concentration of these. A transparent window (4, 8) is respectively arranged between the transmitter (3) and the gas mixture as well as between the receiver (10) and the same, for a light beam (7), in the beam course. To which a drive unit is allocated. The drive unit includes an electric motor (17, 20), which provides a cyclic movement, preventing the accumulation of drops from the gas mixture.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Konzentration eines Gases in einer Flüssigkeitstropfen enthaltenden Gasmischung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verwendungen derselben.The invention relates to a device for determining the Concentration of a gas in a liquid drop containing gas mixture according to the preamble of Claim 1 and uses of the same.

Es ist seit längerem bekannt, die Konzentration bestimmter Komponenten in einem Mischgas zu messen, indem durch daßelbe ein Lichtstrahl, z. B. von einer Xenonlampe erzeugtes Licht mit kontinuierlichem Spektrum, gesandt wird und die Intensitätsminderungen des Lichts in bestimmten schmalen Wellenlängenbereichen, das von besagten Komponenten dort unterschiedlich stark absorbiert wird, gemessen und aus den unterschiedlichen Werten die Konzentrationen der Komponenten berechnet werden.It has long been known the concentration of certain Measure components in a mixed gas by by the same a beam of light, e.g. B. from a xenon lamp generated light with continuous spectrum is sent and the intensity decreases in light in certain narrow wavelength ranges, that of said components is absorbed, measured and measured to different extents the different values the concentrations of Components are calculated.

Im einfachsten Fall, der im folgenden zur Illustration des Verfahrens genauer dargestellt wird, kann man sich mit zwei Wellenlängen begnügen, die von einer interessierenden Komponente des Mischgases unterschiedlich stark absorbiert werden. Wird z. B. vom fraglichen Gas Licht der Wellenlänge λ₁ mit einem ersten Absorptionskoeffizienten α₁ absorbiert und Licht der Wellenlänge λ₂ mit einem davon verschiedenen zweiten Absorptionskoeffizienten α₂, so ergibt sich für die Intensitäten der beiden durch das Mischgas geleiteten Teilstrahlen unter der Annahme, daß die übrigen Komponenten desselben die entsprechenden Wellenlängen nicht absorbieren und die Ausgangsintensitäten jeweils gleich I₀ sind:In the simplest case, which follows to illustrate the Procedure is shown in more detail, you can use two Wavelengths satisfied by an interested one Component of the mixed gas absorbed to different extents will. Is z. B. from the gas in question light of the wavelength λ₁ absorbed with a first absorption coefficient α₁ and light of wavelength λ₂ with a different one second absorption coefficient α₂, results in that Intensities of the two passed through the mixed gas Partial beams on the assumption that the remaining components do not absorb the corresponding wavelengths  and the initial intensities are equal to I₀:

wobei l die Absorptionslänge, d. h. die Länge des durch das Mischgas zurückgelegten Weges des Lichtstrahls, ist und c die Konzentration des Gases.where l is the absorption length, i.e. H. the length of the by that Mixed gas traveled path of the light beam, is and c the concentration of the gas.

Aus (1) und (2) ergibt sichFrom (1) and (2) follows

(3) log(I₁/I₂) = c(α₂-α₁) l,(3) log (I₁ / I₂) = c (α₂-α₁) l,

woraus ohne weiteres die Konzentration c bestimmt werden kann, ohne daß nicht wellenlängenspezifische Einflüsse wie Streuung das Resultat störend beeinflussen könnten.from which the concentration c can be readily determined can without non-wavelength-specific influences such as Scattering could interfere with the result.

In der Praxis wird der interessierende Teil des Spektrums der Lichtquelle in schmale Teilbereiche aufgeteilt und dann eine gerechnete Absorptionskurve an die gemessene Kurve angepaßt, woraus sich dann die Konzentration der interessierenden Komponente ergibt. Auch die Konzentrationen mehrerer Komponenten können auf diese Weise gleichzeitig bestimmt werden.In practice, the part of the spectrum of interest the light source divided into narrow sections and then a calculated absorption curve to the measured curve adjusted, from which the concentration of interesting component results. The concentrations too Multiple components can work in this way at the same time be determined.

Beim Versuch, die geschilderte Methode auf eine Flüssigkeitstropfen enthaltende Gasmischung anzuwenden, insbesondere auf eine Tropfenströmung, wie sie z. B. in einem Rauchgaswäscher auftritt, ergibt sich die Schwierigkeit, daß sich stets Tropfen an den Sender und den Empfänger oder an denselben im Strahlengang nach- bzw. vorgeordneten Fenstern ansetzen, die deren Transparenz rasch so stark reduzieren, daß die Lichtintensität für eine Messung nicht mehr ausreicht. When trying to apply the described method to a Apply gas mixture containing liquid drops, in particular on a drop flow, as z. B. in occurs in a flue gas scrubber Difficulty that there are always drops on the transmitter and the Receiver or at the same in the beam path attach upstream windows that quickly increase their transparency reduce so much that the light intensity for one Measurement is no longer sufficient.  

Hier soll nun die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, schafft eine Vorrichtung, welche die genaue Bestimmung der Konzentration eines Gases auch in einer Tropfen enthaltenden Gasmischung erlaubt. Von besonderem Interesse ist die Bestimmung der Konzentration bestimmter Schadgase in Verbrennungsanlagen. So kann etwa die Konzentration von SO₂ in einem Rauchgaswäscher mit großer Genauigkeit ermittelt und der festgestellte Wert für die Überwachung und Steuerung des Betriebs der Anlage herangezogen werden.The invention is now intended to remedy this. The invention, as it is characterized in the claims creates one Device for the exact determination of the concentration of a gas also in a gas mixture containing drops allowed. Of particular interest is the determination of the Concentration of certain harmful gases in incineration plants. For example, the concentration of SO₂ in one Flue gas scrubber determined with great accuracy and the determined value for the monitoring and control of the Operating the system.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen, welche lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellen, näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention with reference to drawings, which only represent an embodiment explained. Show it

Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 1 shows schematically the basic structure of a device according to the invention,

Fig. 2 den Aufbau des Senders und des Empfängers gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 shows the structure of the transmitter and the receiver according to a first embodiment of the device according to the invention and

Fig. 3 den Aufbau des Senders und des Empfängers gemäß einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 3 shows the structure of the transmitter and the receiver according to a second embodiment of the device according to the invention.

Die Erfindung wird am bereits oben angesprochenen Beispiel der Bestimmung der SO₂-Konzentration in einer Tropfenströmung, wie sie z. B. in einem Rauchgaswäscher auftritt, erläutert. In diesem Fall eignet sich (Fig. 1) als Lichtquelle 1 insbesondere eine Xenonlampe, deren Licht im UV-Bereich, insbesondere im Wellenlängenbereich von ca. 280- 300 nm, in welchem SO₂ mehrere ausgeprägte Absorptionsbanden zeigt, ein kontinuierliches Spektrum aufweist. Das Licht derselben wird über einen Lichtleiter 2 einem Sender 3 zugeführt und gelangt durch ein erstes Fenster 4 am Ende eines Rohrs 5 in die dort herrschende Tropfenströmung 6, die es als Lichtstrahl 7 durchdringt. Durch ein weiteres Fenster 8 in einem gegenüberliegenden Rohr 9 gelangt es weiter in einen Empfänger 10 und über einen weiteren Lichtleiter 11 in eine Auswerteeinheit 12.The invention is based on the example already mentioned above of determining the SO₂ concentration in a drop flow, as z. B. occurs in a flue gas scrubber, explained. In this case ( Fig. 1) is suitable as a light source 1 in particular a xenon lamp, the light in the UV range, in particular in the wavelength range of about 280-300 nm, in which SO₂ shows several pronounced absorption bands, has a continuous spectrum. The light of the latter is fed to a transmitter 3 via a light guide 2 and passes through a first window 4 at the end of a tube 5 into the drop flow 6 prevailing there, which penetrates it as a light beam 7 . Through a further window 8 in an opposite tube 9 , it arrives further in a receiver 10 and, via a further light guide 11, in an evaluation unit 12 .

In der Auswerteeinheit 12 werden die in schmalen Teilbereichen des oben angesprochenen Wellenlängenbereichs empfangenen Intensitäten gemessen, mit den bekannten Intensitäten des vom Sender im jeweils entsprechenden Teilbereich ausgesandten Lichts normalisiert, der auf unspezifische Streuung und Absorption zurückgehende Untergrund rechnerisch herausgefiltert und aus dem verbleibenden Signal, das die Absorptionsbanden des SO₂ deutlich widerspiegelt, die Konzentration desselben berechnet.In the evaluation unit 12 , the intensities received in narrow sub-areas of the above-mentioned wavelength range are measured, normalized with the known intensities of the light emitted by the transmitter in the respective sub-area, the background based on non-specific scattering and absorption is mathematically filtered out and from the remaining signal that the Absorption bands of the SO₂ clearly reflected, the concentration of the same calculated.

Der Sender 3 weist gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Fig. 2) eine dem Ausgang des Lichtleiters 2 nachgeordnete Optik 13 auf, welche den Lichtstrahl 7 bündelt und auf einen Ablenkspiegel 14 wirft, von dem er durch das Fenster 4 in die Tropfenströmung 6 gelangt. Das Fenster 4 ist als kreisrunde Platte 15 aus Quarz von ca. 25 mm Durchmesser ausgebildet und ist somit für Ultraviolettlicht transparent. Am Zentrum ist die Platte 15 an einer starren, geraden Welle 16 befestigt, welche von einem Motor, vorzugsweise einem Elektromotor 17 angetrieben wird. Die Platte 15 ist in einer kreisrunden Öffnung am Ende des Rohrs 5 (Fig. 1) angeordnet und zwar derart, daß zwischen ihrem Rand und dem Rand der Öffnung ein Spalt von ca. 0,5 mm Breite freibleibt, so daß die Rotation der Drehbewegung der Platte 15 nicht gehindert ist. Damit kein Gas aus dem Bereich der Tropfenströmung 6 durch den besagten Spalt dringen kann, ist der hinter dem Fenster 4 liegende Raum mit Stickstoff gefüllt und zwar steht derselbe unter einem Druck, der etwas über dem statischen Druck der Tropfenströmung 6 liegt. Die durch den Spalt in die Tropfenströmung 6 fließende Stickstoffmenge ist dabei so gering, daß sie die Absorptionslänge und damit das Messergebnis nicht nennenswert beeinflußt.According to a first embodiment of the device according to the invention ( FIG. 2), the transmitter 3 has an optic 13 arranged downstream of the output of the light guide 2 , which bundles the light beam 7 and throws it onto a deflecting mirror 14 , from which it passes through the window 4 into the droplet flow 6 reached. The window 4 is designed as a circular plate 15 made of quartz of approximately 25 mm in diameter and is therefore transparent to ultraviolet light. At the center, the plate 15 is attached to a rigid, straight shaft 16 which is driven by a motor, preferably an electric motor 17 . The plate 15 is arranged in a circular opening at the end of the tube 5 ( Fig. 1) in such a way that a gap of about 0.5 mm width remains free between its edge and the edge of the opening, so that the rotation of the rotary movement the plate 15 is not hindered. So that no gas from the area of the drop flow 6 can penetrate through the said gap, the space behind the window 4 is filled with nitrogen and is at a pressure slightly above the static pressure of the drop flow 6 . The amount of nitrogen flowing through the gap into the drop flow 6 is so small that it does not significantly influence the absorption length and thus the measurement result.

Der Elektromotor 17 versetzt die Quarzplatte 15 in rasche Rotation - in der Regel mindestens 3000 U/min, vorzugsweise aber zwischen 10 000 U/min und 20 000 U/min, so daß sich an der der Tropfenströmung 6 zugewandten Oberfläche derselben ansetzende Tropfen größtenteils sofort weggeschleudert werden. Ein kleiner Teil bleibt zwar haften, bildet jedoch einen dünnen Flüssigkeitsfilm gleichmäßiger Dicke, der die optischen Eigenschaften des Fensters 4 kaum beeinflußt.The electric motor 17 sets the quartz plate 15 in rapid rotation - as a rule at least 3000 rpm, but preferably between 10,000 rpm and 20,000 rpm, so that for the most part drops immediately attach to the surface facing the drop flow 6 to be flung away. A small part remains stuck, but forms a thin liquid film of uniform thickness, which hardly affects the optical properties of the window 4 .

Der Empfänger 10 ist hinter dem Fenster 8 - genau wie das Fenster 4 auf der Senderseite eine kreisrunde Platte 18 aus Quarz, welche über eine Welle 19 von einem Elektromotor 20 angetrieben wird - angeordnet und mit einem Ablenkspiegel 21 und einer Optik 22, welche den Lichtstrahl 7 auf das Ende des Lichtleiters 11 sammelt, genau gleich aufgebaut wie der Sender 3. The receiver 10 is arranged behind the window 8 - just like the window 4 on the transmitter side, a circular plate 18 made of quartz, which is driven by an electric motor 20 via a shaft 19 - and with a deflecting mirror 21 and an optics 22 which transmit the light beam 7 collects on the end of the light guide 11 , constructed exactly the same as the transmitter 3 .

Gemäß einer zweiten Ausführungsform (Fig. 3) ist im Sender kein Ablenkspiegel vorgesehen, sondern die Optik 13 wirft den Lichtstrahl 7 direkt auf die Platte 15 des Fensters 4. Die Welle 16 ist flexibel ausgebildet und wird aus der Rotationsachse heraus zum Elektromotor 17 geführt. Sie ist in mehreren Halterungen 23a, b, c drehbar gelagert. Zwischen der Optik 13 und dem Fenster 4 liegt ein Raum 24, der bis auf eine seitliche Durchführung für die Welle 16 und den die Platte 15 umgebenden Ringspalt am Fenster 4 geschlossen ist. Zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Überdrucks, der wie oben erläutert ein Eindringen von Gas aus dem Bereich der Tropfenströmung 6 (Fig. 1) verhindert, ist eine Zuleitung 25 vorhanden, über welche als Spülgas Stickstoff zugeführt wird.According to a second embodiment ( FIG. 3), no deflection mirror is provided in the transmitter, but the optics 13 throw the light beam 7 directly onto the plate 15 of the window 4 . The shaft 16 is flexible and is guided out of the axis of rotation to the electric motor 17 . It is rotatably mounted in several brackets 23 a, b, c. Between the optics 13 and the window 4 is a space 24 , which is closed except for a lateral passage for the shaft 16 and the annular gap surrounding the plate 15 on the window 4 . In order to maintain the required excess pressure, which, as explained above, prevents gas from entering the area of the drop flow 6 ( FIG. 1), a feed line 25 is provided, via which nitrogen is supplied as the purge gas.

Der Empfänger kann gleich aufgebaut sein.The receiver can have the same structure.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Konzentration eines Gases in einer Flüssigkeitstropfen enthaltenden Gasmischung, mit einem Sender (3) zum Aussenden eines die Gasmischung durchdringenden Lichtstrahls (7), welcher durch Überlagerung von mindestens zwei Anteilen unterschiedlicher Wellenlängen gebildet wird und einem Empfänger (10) zum Empfangen und Weiterleiten desselben an eine Auswerteeinheit (12) zur Bestimmung der Intensitäten seiner Teilstrahlen und Berechnung der Konzentration aus denselben, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sender (3) und der Gasmischung sowie zwischen dem Empfänger (10) und derselben jeweils ein für den Lichtstrahl (7) transparentes Fenster (4; 8) im Strahlengang angeordnet ist, welchem eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist, die geeignet ist, daßelbe einer die Anlagerung von Tropfen aus der Gasmischung verhindernden zyklischen Bewegung zu unterwerfen.1. Device for determining the concentration of a gas in a gas mixture containing liquid drops, with a transmitter ( 3 ) for emitting a light beam ( 7 ) penetrating the gas mixture, which is formed by superimposing at least two portions of different wavelengths and a receiver ( 10 ) for Receiving and forwarding the same to an evaluation unit ( 12 ) for determining the intensities of its partial beams and calculating the concentration therefrom, characterized in that between the transmitter ( 3 ) and the gas mixture and between the receiver ( 10 ) and the same one for the light beam ( 7 ) transparent window ( 4 ; 8 ) is arranged in the beam path, to which a drive device is assigned which is suitable for subjecting the latter to a cyclical movement which prevents droplets from the gas mixture from accumulating. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (4; 8) jeweils drehbar ist und die Antriebseinrichtung einen Elektromotor (17; 20) umfaßt, welcher geeignet ist, dasselbe einer Drehbewegung zu unterwerfen.2. Device according to claim 1, characterized in that the window ( 4 ; 8 ) is rotatable in each case and the drive device comprises an electric motor ( 17 ; 20 ) which is suitable for subjecting the same to a rotary movement. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (4; 8) jeweils kreisrund und im Zentrum mit einer vom Elektromotor (17; 20) angetriebenen Welle (16; 19) verbunden ist. 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the window ( 4 ; 8 ) is each circular and in the center with a shaft ( 16 ; 19 ) driven by the electric motor ( 17 ; 20 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (4; 8) jeweils als zur Achse der Drehbewegung senkrechte ebene Platte (15; 18) ausgebildet ist.4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the window ( 4 ; 8 ) is designed as a plane plate ( 15 ; 18 ) perpendicular to the axis of rotation. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (4; 8) jeweils in einer kreisrunden Öffnung derart angeordnet ist, daß zwischen seinem Rand und dem Rand der Öffnung ein Spalt freibleibt und daß an die von der Gasmischung abgewandte Seite des Fensters (4; 8) ein mit einem Gas gefüllter Raum (24) anschließt, in welchem ein über dem statischen Druck in der Gasmischung liegender Druck aufrechterhalten wird.5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the window ( 4 ; 8 ) is each arranged in a circular opening such that a gap remains free between its edge and the edge of the opening and that on the side facing away from the gas mixture the window ( 4 ; 8 ) is followed by a gas-filled space ( 24 ) in which a pressure above the static pressure in the gas mixture is maintained. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tourenzahl der Drehbewegung zwischen 3000 und 20 000 U/min beträgt.6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized characterized that the number of revolutions of the rotary movement is between 3000 and 20,000 rpm. 7. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tourenzahl der Drehbewegung zwischen 10 000 und 20 000 U/min beträgt.7. The device according to claim 7, characterized in that the number of revolutions of the rotary movement between 10,000 and is 20,000 rpm. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (7) Ultraviolettlicht enthält und das Fenster (4; 8) jeweils im wesentlichen aus Quarz besteht.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the light beam ( 7 ) contains ultraviolet light and the window ( 4 ; 8 ) each consists essentially of quartz. 9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Ermittlung der Konzentration von Schadgasen in einer Verbrennungsanlage. 9. Use of the device according to one of claims 1 to 8 to determine the concentration of harmful gases in an incinerator.   10. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 8 zur Ermittlung der Konzentration von SO₂ in einer Tropfenströmung (6) in einem Rauchgaswäscher.10. Use of the device according to claim 8 for determining the concentration of SO₂ in a drop flow ( 6 ) in a flue gas scrubber.
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