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 droplet-containing gas mixture according to the preamble of claim 1 and uses thereof.

Es ist seit längerem bekannt, die Konzentration bestimmter Komponenten in einem Mischgas zu messen, indem durch daßelbe ein Lichtstrahl, z. It has long been known to measure the concentration of certain components in a mixed gas by daßelbe by a beam of light, for. 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. As generated by a xenon lamp light with a continuous spectrum, is sent and the intensity losses of the light in certain narrow wavelength ranges, which is differently strongly absorbed by said components therein, and the measured concentrations of the components are calculated from the different values.

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. In the simplest case, which is shown below to illustrate the method in more detail, one can be satisfied with two wavelengths which are absorbed to different extents of a component of interest of the mixed gas. Wird z. If, for. 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: B. from the gas in question light of wavelength λ₁ having a first absorption coefficient α₁ absorbed and light having a wavelength λ₂ with a different second absorption coefficient α₂, is obtained for the intensities of the two passed through the mixed gas partial beams, assuming that the other components of the same do not absorb the relevant wavelengths, and the output intensities are respectively equal to I₀:

wobei l die Absorptionslänge, dh die Länge des durch das Mischgas zurückgelegten Weges des Lichtstrahls, ist und c die Konzentration des Gases. where l is the absorption length, ie the length of the distance traveled by the mixed gas path of the light beam, and c the concentration of the gas.

Aus (1) und (2) ergibt sich From (1) and (2) results

(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. resulting in readily, the concentration c may be determined without the non-wavelength-specific factors 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. In practice, the portion of interest of the spectrum of the light source is divided into small portions and then adapted a calculated absorption curve to the measured curve, from which then gives the concentration of the component of interest. Auch die Konzentrationen mehrerer Komponenten können auf diese Weise gleichzeitig bestimmt werden. Also, the concentrations of several components can be determined simultaneously in this manner.

Beim Versuch, die geschilderte Methode auf eine Flüssigkeitstropfen enthaltende Gasmischung anzuwenden, insbesondere auf eine Tropfenströmung, wie sie z. When trying to use the described method to a drop of liquid gas mixture containing, in particular a drop of fluid, as such. 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. As occurs in a flue gas scrubber, there is the problem that always drops to demand to the transmitter and the receiver or to the same in the beam path and begin upstream windows which reduce its transparency rapidly so strong that the light intensity for a measurement is not longer sufficient.

Hier soll nun die Erfindung Abhilfe schaffen. Here is where the invention is to provide a remedy. 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. The invention, as characterized in the claims, provides an apparatus which permits the accurate determination of the concentration of a gas in a gas mixture containing droplets. Von besonderem Interesse ist die Bestimmung der Konzentration bestimmter Schadgase in Verbrennungsanlagen. Of particular interest is the determination of the concentration of certain harmful gases in incinerators. 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. For example, the concentration of SO₂ can be determined in a flue gas scrubber with great accuracy and the detected value for monitoring and controlling the operation of the plant are used.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen, welche lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellen, näher erläutert. In the following the invention will be explained with reference to drawings which illustrate only one embodiment, in more detail. Es zeigen 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. The invention is above-mentioned example, the determination of the SO₂ concentration in a droplet flow as such. B. in einem Rauchgaswäscher auftritt, erläutert. As occurs in a flue gas scrubber will be explained. 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. In this case (Fig. 1), particularly 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 distinct absorption bands having a continuous spectrum is as the light source 1. 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. The light of the same is supplied via an optical fiber 2 to a transmitter 3 and passes through a first window 4 in the end of a tube 5 in the prevailing flow drops 6, penetrating it as a light beam. 7 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 . By another window 8 in an opposite tube 9 it passes further into a receiver 10 and, via a further optical fiber 11 in an evaluation unit 12th

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 signal received in the narrow partial regions of the wavelength region above-mentioned intensities are measured, normalized with the known intensities of the light emitted from the transmitter in each corresponding sub-region light, filtered to non-specific scattering and absorption returning underground computationally and from the remaining signal indicative of the absorption bands of SO₂ clearly reflected, calculated of the same concentration.

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. The transmitter 3 comprises according to a first embodiment of the device according to the invention (Fig. 2) the output of the light pipe 2 downstream optics 13 which focuses the light beam 7, and raises a deflection mirror 14, through the window 4 in the droplet flow from the ER 6 arrives. Das Fenster 4 ist als kreisrunde Platte 15 aus Quarz von ca. 25 mm Durchmesser ausgebildet und ist somit für Ultraviolettlicht transparent. The window 4 is formed as a circular plate 15 made of quartz of about 25 mm diameter and is thus transparent to ultraviolet light. Am Zentrum ist die Platte 15 an einer starren, geraden Welle 16 befestigt, welche von einem Motor, vorzugsweise einem Elektromotor 17 angetrieben wird. At the center the plate 15 is attached to a rigid, straight shaft 16, an electric motor 17 is driven by a motor, preferably. 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. The plate 15 is 5 (Fig. 1) arranged in such a manner in a circular opening at the end of the tube, that, between its edge and the edge of the opening, a gap of about 0.5 mm width remains free, so that the rotation of the rotational motion the plate is not prevented from 15th 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. So that no gas from the region of the trickle-flow can pass through said gap 6, which is located behind the window 4 is filled with nitrogen, and while the same is under a pressure which is somewhat higher than the static pressure of the flow drops. 6 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. The current flowing through the gap in the droplet stream 6 nitrogen amount is so small that it does not significantly affect the absorption length and thus the measuring 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. The electric motor 17 enables the quartz plate 15 in rapid rotation - generally at least 3000 U / min, but preferably between 10 000 r / min and 20 000 r / min, so that at the droplet flow 6 facing surface of the same-faceted drops largely immediately be thrown. Ein kleiner Teil bleibt zwar haften, bildet jedoch einen dünnen Flüssigkeitsfilm gleichmäßiger Dicke, der die optischen Eigenschaften des Fensters 4 kaum beeinflußt. Although a small part remains attached, but forms a thin liquid film of uniform thickness, which scarcely influenced 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 located behind the window 8 - just like the window 4 on the transmitter side a circular plate 18 made of quartz, which is driven via a shaft 19 of an electric motor 20 - and provided with a deflecting mirror 21 and an optical system 22, which light beam the 7 accumulated on the end of the light conductor 11, in exactly the same structure 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 . In a second embodiment (Fig. 3) is provided in the transmitter no deflecting mirror, but the optical system 13 throwing the light beam 7 on the plate 15 of the window 4. Die Welle 16 ist flexibel ausgebildet und wird aus der Rotationsachse heraus zum Elektromotor 17 geführt. The shaft 16 is flexible and is guided from the axis of rotation out to the electric motor 17th Sie ist in mehreren Halterungen 23 a, b, c drehbar gelagert. It is in a plurality of holders 23 a, b, c mounted rotatably. 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. Between the optical system 13 and the window 4 is a space 24 to the plate 15 surrounding annular gap at the window 4 is closed except for a lateral passage for the shaft 16 and. 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. Prevented to maintain the required positive pressure, which as explained above, the penetration of gas from the region of the drop flow 6 (Fig. 1), a feed line 25 is provided, through which nitrogen is supplied as the purge gas.

Der Empfänger kann gleich aufgebaut sein. The receiver can be configured the same.

Claims (10)

  1. 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. A device for determining the concentration of a gas in a liquid droplet-containing gas mixture, comprising a transmitter (3) for emitting a gas mixture penetrating light beam (7), which is formed by superposition of at least two components 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 calculation of the concentration of the same, characterized in that between the transmitter (3) and the gas mixture as well as between the receiver (10) and the same in each case one of the light beam (7) transparent window (4; 8) is arranged in the beam path, wherein a drive means is associated, which is suitable for the attachment of a daßelbe drops from the gas mixture preventing cyclic movement to subject.
  2. 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 in each case rotatable and the drive means comprises an electric motor (17; 20), which is adapted to subject the same a rotational movement.
  3. 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. A device according to claim 2, characterized in that the window (4; 8) are each circular and in the center with the electric motor (17; 20) driven shaft (16; 19) is connected.
  4. 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 each formed as the axis of the rotational movement of vertical flat plate (18 15).
  5. 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) are each in a circular opening is arranged such that, between its edge and the edge of the opening remains free a gap and in that on the side facing away from the gas mixture side the window (4; 8) filled with a gas space (24) adjoins in which one above the static pressure in the gas mixture lying pressure is maintained.
  6. 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 in that the number of revolutions of the rotary motion from 3000 to 20,000 U / min.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tourenzahl der Drehbewegung zwischen 10 000 und 20 000 U/min beträgt. 7. Apparatus according to claim 7, characterized in that the number of revolutions of the rotary movement from 10,000 to 20,000 U / min.
  8. 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) are each substantially made of quartz.
  9. 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 for determining the concentration of harmful gases in an incinerator.
  10. 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 trickle-flow (6) in a flue gas scrubber.
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