DE19808816A1

DE19808816A1 - Verfahren zum Nachweis der Unter- bzw. Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes der Konzentration einer gasförmigen Komponente in einem Meßgasstrom

Info

Publication number: DE19808816A1
Application number: DE19808816A
Authority: DE
Inventors: Slowik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 1999-09-09

Description

Stand der Technik

Zur Überwachung der Einhaltung der Konzentration bestimmter Komponenten in Gasen (Emissions-, Immissionswerte, Arbeitsplatzkonzentrationen, technologisch bedingte Grenz werte) werden je nach Gasart unterschiedliche Meßverfahren eingesetzt [Profos/Pfeifer: Handbuch der industriellen Meßtechnik, Oldenbourg Verlag, München Wien 1994, S. 891-1148]. An das Meßverfahren werden definierte Anforderungen bezüglich Genauigkeit, Zuver lässigkeit, Selektivität und Zeitverhalten gestellt. Zur Ermittlung der Über- bzw. Unterschrei tung des Grenzwertes wird durch eine Messung die Konzentration der interessierenden Komponente festgestellt. Nach der Messung wird der ermittelte Meßwert mit dem Grenzwert verglichen, und somit die gewünschte Aussage erhalten. Dazu ist es erforderlich, den Meß wert mit hinreichender Genauigkeit zu ermitteln und den Meßaufbau mit entsprechendem Aufwand zu kalibrieren.

Für die Kalibrierung von Meßanordnungen ist es üblich, definierte Konzentrationen als Ein gangssignale durch die Messung zu reproduzieren und damit Parameter zu ermitteln, die in die Auswertung des Meßergebnisses einfließen. Durch Verschmutzung, Driftverhalten der Sensoren oder vergleichbare Erscheinungen müssen die Kalibriervorgänge häufig wieder holt werden, um weiterhin mit der gewünschten Genauigkeit messen zu können. Dieser Auf wand soll vermindert werden.

Ziel der Erfindung ist es, einen Nachweis der Einhaltung der Grenzwerte zu ermöglichen, ohne einen genauen Meßwert der betreffenden Größe zu ermitteln.

Das Verfahren zum Nachweis der Unter- bzw. Überschreitung eines vorgegebenen Grenz wertes der Konzentration einer gasförmigen Komponente in einem Trägergasstrom umfaßt den Meßgasstrom und die Meßeinrichtung sowie einen Referenzgasstrom mit einer definier ten Konzentration der Komponente. Erfindungsgemäß wird ein Referenzgasstrom gebildet, der das gleiche Trägergas wie der Meßgasstrom aufweist und die Komponente in einer de finierten Konzentration beinhaltet, wobei die Konzentration der Komponente dem einzuhal tenden Grenzwert entspricht. Die Konzentration der Komponente im Referenzgasstrom und im Meßgasstrom werden jeweils zeitlich nacheinander mit derselben Meßeinrichtung für die betreffende Komponente gemessen. Eine Überschreitung des Grenzwertes ist dann nicht gegeben, wenn noch eine Konzentrationsdifferenz zwischen Meßgasstrom und Referenz gasstrom nach unten bzw. oben vorhanden ist.

Im Fall der Übereinstimmung beider Konzentrationen ist gerade der Grenzwert erreicht. In diesem Fall ist die Differenz beider Meßergebnisse gerade Null. Der Sensor muß daher nicht exakt einen Wert messen können, sondern wird nur für den Abgleich im Sinne des Kompensationsprinzips benötigt. Verschmutzungserscheinungen oder ein Langzeitdriftver halten sind bei einem Abgleich bedeutungslos, da derselbe Sensor verwendet. Das Verfah ren benötigt daher auch keine Kalibrierung. Der Vergleich zwischen Referenzgasstrom und Meßgasstrom muß in einem kürzeren Zeitraum erfolgen als eine mögliche Drift zu Verfäl schungen der Aussagen führen kann.

Der Referenzgasstrom kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Die erste prin zipielle Möglichkeit besteht in der Verwendung von Prüfgasen. Erfindungsgemäß muß dabei die Konzentration der gasförmigen Komponente dem zu überwachenden Grenzwert entspre chen. Die zweite Möglichkeit besteht in der Herstellung des Referenzgasstromes durch die Aufbereitung des Meßgasstromes. Dazu wird die Komponente zunächst aus einem Teilstrom des Meßgasstromes entfernt. Anschließend wird die Komponente in definierter Konzentrati on diesem Trägergasstrom zugesetzt. Die Komponente kann dabei als gasförmiger Teil strom zugesetzt werden. Erfindungsgemäß kann die Komponente aber auch durch chemi sche oder physikalische Vorgänge im Trägergasstrom erzeugt werden. So kann der Träger gasstrom z. B. durch einen Gasgenerator geleitet werden, in dem aus einer festen Chemika lie durch eine elektrochemische Reaktion die gasförmige Komponente in definierter Konzen tration hergestellt wird. Es ist aber auch ein Eindüsen der Komponente in flüssiger Form möglich. Dabei müssen die Betriebsbedingungen so gewählt werden, daß die Komponente in die Gasphase übergeht. Es ist aber auch die Verwendung einer Permeationszelle mög lich, mit der man im Spurenbereich die gasförmige Komponente zusetzen kann.

Die Konzentration der gasförmigen Komponente des Gases wird also im engeren Sinne nicht gemessen, sondern mit Hilfe einer Messung geprüft [a.a.O. Seite 7]. Dabei wird jedoch nicht wie bei der üblichen Kalibrierung eines Meßaufbaus ein Zusammenhang zwischen An zeigewert und Eingangssignal hergestellt, sondern ein Referenzgasstrom verwendet oder hergestellt, der die gleiche Konzentration wie der einzuhaltende Grenzwert aufweist.

Bei der Überwachung von Grenzwerten muß natürlich nicht der gesetzlich geforderte Grenzwert im Referenzgasstrom eingestellt werden, sondern es kann ein Wert verwendet werden, der mit einem gewissen Sicherheitsabstand noch unter dem vorgegebenen gesetz lichen Grenzwert liegt. Dies ist dann der Grenzwert im Sinne des Verfahrens. Auch bei Pro zeßgrenzwerten können derartige Sicherheitszuschläge gemacht werden. Obwohl der ei gentliche aktuelle Wert nicht genau bekannt ist, kann die ermittelte Differenz zur Auslösung bestimmter Maßnahmen herangezogen werden. Das betrifft auch die zeitliche Änderung dieser Differenz, die z. B. auf das Erreichen gefahrdrohender Zustände hindeuten kann. Bei der Überwachung der Einhaltung sowohl eines oberen als auch eines unteren Grenzwertes kann das Verfahren in analoger Weise angewandt werden.

Das Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft bei der Überwachung von geringen Konzen trationen anwenden, insbesondere bei Komponenten, die mit herkömmlichen Meßgeräten nur unsicher zu ermitteln sind. Die Entfernung der Komponente aus dem Teilstrom des Meßgasstromes und die Zumischung der Komponente in definierter Form sind nicht so auf wendig wie bei großen Konzentrationen. Gleichzeitig ist die erreichbare Genauigkeit der Aussage mit einfachen Meßeinrichtungen zu erreichen. Anwendbar ist das Verfahren bei Luftschadstoffen, aber auch bei Gasen, die in Produktionsverfahren vorkommen. Das Ver fahren ist auch sinngemäß anwendbar, wenn es sich bei den Beimengungen um Dämpfe, Isotope oder feste Partikeln handelt.

Beispiel 1

Das Beispiel 1 ist schematisch in Fig. 1 dargestellt.

In einem Meßgasstrom 1 soll überwacht werden, ob die Konzentration von H₂S einen be stimmten Grenzwert überschreitet (Emissionsüberwachung). Aus dem Meßgasstrom 1 wird ein Teilstrom 2 abgezweigt. Dieser Teilstrom 2 weist die gleiche Konzentration an H₂S wie der Meßgasstrom 1 auf. Der Teilstrom 2 wird über einen Filter 3 geleitet, der H₂S vollständig zurückhält. Anschließend wird der Teilstrom 2 durch einen Gasgenerator 4 geleitet. Im Gas generator 4 wird durch eine elektrochemische Reaktion H₂S mit Hilfe von Gleichstrom in de finierter Menge erzeugt. Dadurch hat Teilstrom 2 eine bekannte Konzentration, die durch Wahl der Stromstärke auf einen vorgegebenen Grenzwert der H₂S-Konzentration eingestellt wird. Der Teilstrom 2 ist nun zum Referenzgasstrom 9 geworden und wird anschließend ei ner Verteileinrichtung 5 zugeführt. In diese Verteileinrichtung 5 wird auch ein Teilstrom 6, der aus dem Meßgasstrom 1 entnommen wurde und die gleiche Konzentration an H₂S wie der Meßgasstrom aufweist, eingespeist. Die Verteileinrichtung hat die Aufgabe, im zeitlichen Wechsel Teilstrom 6 oder Referenzgasstrom 9 der Meßeinrichtung 7 zuzuführen. Dieses Umschalten der Teilströme wird auf herkömmliche Weise mit einem Ventilsystem oder einer Zellradschleuse oder anderen bekannten Einrichtungen vorgenommen. In der Meßeinrich tung 7 befindet sich ein Sensor zur Messung der H₂S-Konzentration. Der Sensor mißt nach einander die H₂S-Konzentration im Teilstrom 6 bzw. Referenzgasstrom 9. Durch eine Aus werteeinheit 8 wird registriert, ob die H₂S-Konzentration im Referenzgasstrom 9 geringer als im Teilstrom 6 ist. Wenn diese Differenz noch besteht, so ist der Grenzwert nicht überschrit ten.

Der jeweils nicht der Meßeinrichtung 7 zu geführte Teilstrom 6 bzw. Referenzgasstrom 9 wird als aus der Verteileinrichtung 5 austretender Gasstrom 11 genauso wie der aus der Meßeinrichtung 7 austretende Gasstrom 12 wieder dem Meßgasstrom 1 zugeführt. Wird unter dem Meßgasstrom 1 die Umgebungsatmosphäre verstanden, so ist es zweckmäßig, die Ströme 11 und 12 über einen Filter in die Atmosphäre zurückzuführen.

Da es Sensoren gibt, die Querempfindlichkeiten gegenüber weiteren Gasen aufweisen, ist in diesem Fall eine besondere Maßnahme zu treffen. Der Filter 3 muß dann so gewählt wer den, daß das H₂S selektiv aus dem Teilstrom 2 gefiltert wird. Damit ist die Querempfindlich keit des Sensors eliminiert, da weitere Komponenten, die ein Sensorsignal verursachen könnten, sowohl im Referenzgasstrom 9 als auch im Teilstrom 6 vorhanden sind und keinen Beitrag bei der Differenzbildung liefern.

Beispiel 2

Das Beispiel ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Es handelt sich dabei um die Ermittlung der Grenzwertüberschreitung eines Luftschadstoffes in der Umgebungsluft.

Aus dem Meßgasstrom 1 - Umgebungsluft - wird ein Teilstrom 2 abgezweigt, der die glei che Zusammensetzung wie der Meßgasstrom 1 aufweist. Der Teilstrom 2 wird der Vertei leinrichtung 5 zugeleitet. Der Referenzgasstrom 9 wird einem Gasvorratsgefäß 10 entnom men und ebenfalls der Verteileinrichtung 5 zugeführt. Das Gasvorratsgefäß 10 enthält Luft als Trägergas und den Luftschadstoff in der zu überwachenden Konzentration. Im zeitlichen Wechsel wird Teilstrom 2 und Referenzgasstrom 9 der Meßeinrichtung 7 zugeführt. Die Auswerteeinheit 8 registriert, ob zwischen beiden Strömen eine Differenz besteht. Ist die Konzentration im Teilstrom 2 geringer als im Referenzgasstrom 9 so ist der Nachweis er bracht, daß der Luftschadstoff nur in einer zulässigen Konzentration vorliegt. Eine genaue Messung dieser Konzentration ist damit nicht erforderlich.

Die austretenden Ströme 11 und 12 werden in den Meßgasstrom zurückgeführt. Die Über wachung der Grenzwertüberschreitung kann quasi kontinuierlich gestaltet werden. Die zeitli che Auflösung entspricht der Umschaltfrequenz der Verteileinrichtung.

Bezugszeichenliste

1

Meßgasstrom

2

Teilstrom

3

Filter

4

Gasgenerator

5

Verteileinrichtung

6

Teilstrom

7

Meßeinrichtung

8

Auswerteeinheit

9

Referenzgasstrom

10

Gasvorratsgefäß

11

austretender Gasstrom

12

austretender Gasstrom

Claims

1. Verfahren zum Nachweis der Unter- bzw. Überschreitung eines vorgegebenen Grenz wertes der Konzentration einer gasförmigen Komponente in einem Meßgasstrom, um fassend den Meßgasstrom, die Meßeinrichtung sowie einen Referenzgasstrom mit einer definierten Konzentration der Komponente, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Referenzgasstrom gebildet wird, der das gleiche Trägergas wie der Meßgas strom aufweist und die Komponente in einer definierten Konzentration beinhaltet, wo bei die Konzentration der Komponente dem einzuhaltenden Grenzwert entspricht,
- die Konzentration der Komponente im Referenzgasstrom und im Meßgasstrom je weils zeitlich nacheinander mit derselben Meßeinrichtung für die betreffende Kompo nente gemessen werden
- und eine Überschreitung des Grenzwertes dann nicht gegeben ist, wenn zwischen zwei aufeinanderfolgende Messungen noch eine Konzentrationsdifferenz der Kompo nente zwischen Meßgasstrom und Referenzgasstrom nach unten bzw. oben vorhan den ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzgasstrom gebil det wird, indem ein Teilstrom aus dem Meßgasstrom abgezweigt wird und dieser Teil strom den Trägergasstrom bildet, anschließend dieser Teilstrom von der Komponente gereinigt wird und die Komponente anschließend in der Höhe des vorgegebenen Grenzwertes der Komponente dem Teilstrom wieder zugegeben wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kom ponente gasförmig dem Trägergasstrom des Referenzgasstromes zugemischt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gas förmige Komponente auf chemischem oder physikalischem Weg hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gas förmige Komponente

- durch elektrochemische Vorgänge oder
- durch eine chemische Reaktion oder
- durch Wärmeeinwirkung oder
- durch eine Permeationszelle erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kom ponente in flüssiger Form in den Trägergasstrom des Referenzgasstromes zerstäubt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompo nente selektiv aus dem Teilstrom des Meßgasstromes entfernt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzgasstrom ein Prüfgasgemisch verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren gleichzeitig zur Überwachung der Überschreitung und der Unterschreitung von min destens zwei Grenzwerten angewandt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der Konzentrationsdifferenz der Komponente im Meßgasstrom bzw. im Refe renzgasstrom als Kenngröße für die Steuerung des Prozesses benutzt wird.