DE202013105594U1

DE202013105594U1 - analyzer

Info

Publication number: DE202013105594U1
Application number: DE202013105594.8U
Authority: DE
Original assignee: Eltra Entwicklungs und Vertriebsgesellschaft von Elektronischen und Physikalischen Geraeten mbH
Current assignee: Eltra GmbH
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2023-12-10

Abstract

Analysator zur Bestimmung der Zusammensetzung von insbesondere proteinhaltigen Materialproben mit – einer Verbrennungseinrichtung (1), welche eine beheizbare Brennkammer aufweist, in welcher eine zu analysierende Materialprobe positionierbar ist, wobei die Brennkammer einen Sauerstoffeinlass, der an eine Sauerstoffquelle (2) angeschlossen oder anschließbar ist, um der Brennkammer Sauerstoff zur Verbrennung zuzuführen, und einen Verbrennungsgasauslass aufweist, – einer Verbrennungsgas-Sammelkammer (5), die einlassseitig über eine Verbrennungsgasleitung (4) an den Verbrennungsgasauslass der Brennkammer angeschlossen ist, – wenigstens einem Detektor (8, 14, 15, 17), um die Zusammensetzung der Verbrennungsgase zu bestimmen, und – einer Wasserfalle (9), um Wasserdampf und/oder Wasser aus den Verbrennungsgasen zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserfalle (9) in der Verbrennungsgasleitung (4) zwischen der Brennkammer und der Verbrennungsgas-Sammelkammer (5) positioniert ist, und dass ein H2-Detektor (8) in der Verbrennungsgasleitung (4) zwischen der Brennkammer und der Wasserfalle (9) angeordnet ist.Analyzer for determining the composition of, in particular, protein-containing material samples with - a combustion device (1) which has a heatable combustion chamber in which a material sample to be analyzed can be positioned, the combustion chamber having an oxygen inlet which is connected or can be connected to an oxygen source (2), in order to supply oxygen to the combustion chamber for combustion and has a combustion gas outlet, - a combustion gas collection chamber (5) which is connected on the inlet side to the combustion gas outlet of the combustion chamber via a combustion gas line (4), - at least one detector (8, 14, 15, 17 ) to determine the composition of the combustion gases, and - a water trap (9) to remove water vapor and / or water from the combustion gases, characterized in that the water trap (9) in the combustion gas line (4) between the combustion chamber and the Combustion gas collection chamber (5) positionie rt, and that an H2 detector (8) is arranged in the combustion gas line (4) between the combustion chamber and the water trap (9).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Analysator zur Bestimmung der Zusammensetzung von insbesondere proteinhaltigen Materialproben mit

– einer Verbrennungseinrichtung, welche eine beheizbare Brennkammer aufweist, in welcher eine zu analysierende Materialprobe positionierbar ist, wobei die Brennkammer einen Sauerstoffeinlass, der an eine Sauerstoffquelle angeschlossen oder anschließbar ist, um der Brennkammer Sauerstoff zur Verbrennung zuzuführen, und einen Verbrennungsgasauslass aufweist,
– einer Verbrennungsgas-Sammelkammer, die einlassseitig über eine Verbrennungsgasleitung an den Verbrennungsgasauslass der Brennkammer angeschlossen ist,
– wenigstens einem Detektor, um die Zusammensetzung der Verbrennungsgase zu bestimmen, und
– einer Wasserfalle, um Wasserdampf und/oder Wasser aus den Verbrennungsgasen zu entfernen.

The present invention relates to an analyzer for determining the composition of in particular protein-containing material samples with

A combustion device having a heatable combustor in which a sample of material to be analyzed is positionable, the combustor having an oxygen inlet connected or connectable to an oxygen source for supplying oxygen to the combustor for combustion and a combustion gas outlet,
A combustion gas collecting chamber, which is connected on the inlet side via a combustion gas line to the combustion gas outlet of the combustion chamber,
At least one detector to determine the composition of the combustion gases, and
- A water trap to remove water vapor and / or water from the combustion gases.

Analysatoren dieser Art zur Bestimmung der Zusammensetzung aus den Verbrennungsprodukten zu analysierender Materialproben sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die DE 33 01 971 A1 offenbart beispielsweise einen Analysator, mit dem der Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Stickstoffgehalt einer organischen Materialprobe nach deren Verbrennung bestimmt werden kann. Der Analysator umfasst eine Verbrennungseinrichtung, welche eine beheizbare Brennkammer aufweist, die in einem U-förmigen Verbrennungsrohr vorgesehen ist. Das Verbrennungsrohr wird im Betrieb auf etwa 1.000°C erhitzt, und gleichzeitig wird die zu analysierende Materialprobe von oben über eine Lanze mit Sauerstoff durchströmt, um eine in die Brennkammer eingesetzt Materialprobe zu verbrennen. Die bei der Verbrennung entstehenden Gase werden verschiedenen Trennungsschritten unterzogen, wobei der bei der Verbrennung entstehende Staub ebenfalls abgefiltert wird. Anschließend werden die Verbrennungsgase über einen H₂O-Detektor und einen CO₂-Detektor geführt, um den Wasserdampfanteil und den CO₂-Anteil der durchströmenden Verbrennungsgase zu bestimmen. Der Wasserdampfanteil korrespondiert dabei zu dem H₂- bzw. H₂O-Anteil der Verbrennungsgase. Die beiden Detektoren sind als Infrarot-Detektoren ausgebildet, welche Signale, die der Menge an durchströmendem Wasserdampf bzw. CO₂ entsprechen, abgeben. Nach Durchströmen der Infrarot-Detektoren werden die Abgase in einer Verbrennungsgas-Sammelkammer aufgefangen, wo sie durchmischt werden, um ein im Wesentlichen homogenes Gemisch zu bilden. Dabei wird eine Wand der Verbrennungsgas-Sammelkammer durch einen Kolben gebildet, der verschiebbar ist, um das Volumen in der Verbrennungsgas-Sammelkammer zu verändern. Der Verbrennungsgas-Sammelkammer nachgeordnet ist eine Wasserfalle vorgesehen, um Wasserdampf aus den Verbrennungsgasen zu entfernen. Analyzers of this type for determining the composition of the combustion products of material samples to be analyzed are known in various embodiments. The DE 33 01 971 A1 for example, discloses an analyzer capable of determining the carbon, hydrogen and nitrogen content of an organic material sample after it has been burned. The analyzer includes a combustion device having a heatable combustion chamber provided in a U-shaped combustion tube. The combustion tube is heated in operation to about 1000 ° C, and at the same time, the material sample to be analyzed is flowed through from above via a lance with oxygen to burn a material sample inserted into the combustion chamber. The gases produced during combustion are subjected to different separation steps, with the dust produced during combustion also being filtered off. Subsequently, the combustion gases are passed through a H ₂ O detector and a CO ₂ detector to determine the water vapor content and the CO ₂ content of the flowing combustion gases. The water vapor content corresponds to the H ₂ or H ₂ O content of the combustion gases. The two detectors are designed as infrared detectors, which emit signals corresponding to the amount of water vapor flowing through or CO ₂ . After flowing through the infrared detectors, the exhaust gases are collected in a combustion gas plenum where they are mixed to form a substantially homogeneous mixture. In this case, a wall of the combustion gas collecting chamber is formed by a piston which is displaceable in order to change the volume in the combustion gas collecting chamber. Downstream of the combustion gas collection chamber, a water trap is provided to remove water vapor from the combustion gases.

Ein weiterer Analysator zur Bestimmung der Zusammensetzung von Materialproben der eingangs genannten Art ist aus der EP 2 275 811 B1 bekannt. Dieser Analysator umfasst eine Verbrennungseinrichtung mit einer Brennkammer und einer diese einfassenden Heizeinrichtung in der Form einer elektrischen Widerstandsheizung. An der Oberseite der Brennkammer ist ein Sauerstoffeinlass vorgesehen, durch welchen eine Sauerstofflanze in die Brennkammer geführt ist, deren Auslass sich unmittelbar über dem Träger für eine zu analysierende Materialprobe befindet. Die Sauerstofflanze ist an eine Sauerstoffquelle angeschlossen, von der Sauerstoff über ein Sauerstoffzuführventil in die Brennkammer dosiert wird. Das Sauerstoffzuführventil ist dabei mit einer zentralen Steuereinrichtung des Analysators gekoppelt und wird über diese automatisch betätigt, um die Zufuhr von Sauerstoff in die Brennkammer zu regulieren. Der Analysator umfasst ferner eine Verbrennungsgas-Sammelkammer, die einlassseitig über eine Verbrennungsgasleitung an einem Verbrennungsgasauslass der Brennkammer angeschlossen ist. Die Verbrennungsgas-Sammelkammer dient dazu, die bei der Verbrennung entstehenden Abgase zu sammeln und zu durchmischen. An die Verbrennungsgas-Sammelkammer ist eine Abgasleitung angeschlossen. In dieser ist ein Feuchtigkeitsdetektor platziert, um den prozentualen Wasser- bzw. der Wasserdampfgehalt in den Verbrennungsgasen zu bestimmen, woraus sich wiederum der Anteil an Wasserstoff in der zu analysierenden Materialprobe errechnen lässt. Dem Feuchtigkeitsdetektor nachgeschaltet ist in der Abgasleitung ein Wasserabsorber vorgesehen, in welchem die Verbrennungsgase vollständig getrocknet werden, bevor sie durch mehrere Detektoren geführt werden, um die Zusammensetzung der Verbrennungsgase weiter zu analysieren und insbesondere den CO₂-, SO₂- und N₂-Gehalt der Verbrennungsgase zu bestimmen. Another analyzer for determining the composition of material samples of the type mentioned is known from EP 2 275 811 B1 known. This analyzer comprises a combustion device with a combustion chamber and a heater enclosing this in the form of an electrical resistance heater. At the top of the combustion chamber is provided an oxygen inlet through which an oxygen lance is fed into the combustion chamber, the outlet of which is located immediately above the support for a material sample to be analyzed. The oxygen lance is connected to an oxygen source, from which oxygen is metered into the combustion chamber via an oxygen feed valve. The oxygen supply valve is coupled to a central control device of the analyzer and is automatically actuated via this, in order to regulate the supply of oxygen into the combustion chamber. The analyzer further includes a combustion gas collection chamber connected on the inlet side via a combustion gas line to a combustion gas outlet of the combustion chamber. The combustion gas collecting chamber serves to collect and mix the exhaust gases produced during the combustion. To the combustion gas collecting chamber, an exhaust pipe is connected. In it, a moisture detector is placed to determine the percentage of water or water vapor in the combustion gases, which in turn can calculate the proportion of hydrogen in the material sample to be analyzed. Downstream of the moisture detector, a water absorber is provided in the exhaust pipe, in which the combustion gases are completely dried before being passed through a plurality of detectors to further analyze the composition of the combustion gases and in particular the CO ₂ , SO ₂ and N ₂ content to determine the combustion gases.

Analysatoren der vorbeschriebenen Art, bei denen die Verbrennungsgase in einer Verbrennungsgas-Sammelkammer aufgefangen werden, arbeiten nicht mit einem konstanten Gasdurchfluss. Vielmehr wird der Durchfluss, d.h. die Gasmenge pro Zeiteinheit – von Sauerstoff durch den Verbrennungsofen und damit des Verbrennungsgases zur Verbrennungsgas-Sammelkammer während der Analyse den momentanen Anforderungen der Verbrennung angepasst. In der Anfangsphase der Verbrennung, in welcher am meisten Sauerstoff benötigt wird, wird daher die Sauerstoffdurchflussrate und damit die Verbrennungsdurchflussrate verglichen mit der Endphase der Verbrennung, in der weniger Sauerstoff zur Verbrennung der Materialprobe benötigt wird, hoch sein. Analyzers of the type described above, in which the combustion gases are collected in a combustion gas collection chamber, do not operate with a constant gas flow. Rather, the flow, i. the amount of gas per unit time - of oxygen through the combustion furnace and thus the combustion gas to the combustion gas collection chamber during the analysis adapted to the current requirements of the combustion. Thus, in the initial phase of combustion where most oxygen is needed, the oxygen flow rate, and hence the combustion flow rate, will be high compared to the final phase of combustion where less oxygen is needed to burn the material sample.

Um eine möglichst genaue Dosierung des Sauerstoffstroms zu erzielen, werden abgestuft mehrere Durchflussraten während der Verbrennung benutzt, um eine Sauerstoffkonzentration im Trägergas zu minimieren. Eine Minimierung des Sauerstoffgehalts im Trägergas ist angestrebt, da mit zunehmendem Sauerstoffgehalt in der Verbrennungsgas-Sammelkammer die Dichte der zu messenden Gase abnimmt, was zu einer Verschlechterung der Detektionsgrenze führt. Im Übrigen muss für den Fall, dass auch der N₂-Anteil in den Verbrennungsgasen bestimmt werden soll, der Sauerstoff aus den Verbrennungsgasen entfernt werden, was aufwändig ist und den Einsatz von Kupfer erfordert. In order to achieve the most accurate metering of the oxygen flow, multiple flow rates during combustion are used in stages to minimize an oxygen concentration in the carrier gas. A minimization of the oxygen content in the carrier gas is desired, since with increasing oxygen content in the combustion gas collecting chamber, the density of the gases to be measured decreases, which leads to a deterioration of the detection limit. Incidentally, in the event that the N ₂ content in the combustion gases is to be determined, the oxygen must be removed from the combustion gases, which is complicated and requires the use of copper.

Die bekannten Analysatoren haben ferner den Nachteil, dass sich in der Verbrennungsgas-Sammelkammer Wasserdampf sammelt. Aus diesem Grund muss die Verbrennungsgas-Sammelkammer auf einer ausreichcend hohen Temperatur gehalten werden, damit der Wasserdampf nicht kondensieren kann. Ferner wird die Bestimmung des Schwefelgehaltes negativ beeinträchtigt, da das SO₂, welches aus der Materialprobe bei der Verbrennung entsteht und dessen Gehalt zur Bestimmung des Schwefelgehaltes der Materialprobe bestimmt wird, mit dem Wasserdampf in der Verbrennungsgas-Sammelkammer unter Bildung von schwefliger Säure reagiert. Dies führt zu Minderbefunden bei der Schwefelbestimmung. Schließlich kontaminiert die schweflige Säure die Verbrennungsgas-Sammelkammer und greift unter Umständen Materialien an, mit denen sie in Kontakt kommt. The known analyzers also have the disadvantage that water vapor collects in the combustion gas collection chamber. For this reason, the combustion gas collecting chamber must be maintained at a sufficiently high temperature so that the water vapor can not condense. Furthermore, the determination of the sulfur content is adversely affected, since the SO ₂ , which is formed from the material sample during combustion and whose content is determined to determine the sulfur content of the material sample, reacts with the water vapor in the combustion gas collection chamber to form sulfurous acid. This leads to lower findings in sulfur determination. Finally, the sulfurous acid contaminates the combustion gas plenum and may attack materials with which it comes in contact.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Analysator der eingangs genannten Art so auszubilden, dass er einen einfachen Aufbau besitzt und mit vergleichsweise geringem Aufwand betrieben werden kann. Against this background, the present invention has the object, an analyzer of the type mentioned in such a way that it has a simple structure and can be operated with relatively little effort.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wasserfalle in der Verbrennungsgasleitung zwischen der Brennkammer und der Verbrennungsgas-Sammelkammer positioniert ist, und dass ein H₂-Detektor in der Verbrennungsgasleitung zwischen der Brennkammer und der Wasserfalle angeordnet ist.This object is inventively achieved in that the water trap is positioned in the combustion gas line between the combustion chamber and the combustion gas collection chamber, and that an H ₂ detector is disposed in the combustion gas line between the combustion chamber and the water trap.

Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, den Wasserdampf aus den Verbrennungsgasen zu beseitigen, bevor diese in die Verbrennungsgas-Sammelkammer eintreten. Hierdurch kann mit auf den gerätetechnischem Aufwand, welcher mit einer Beheizung der Verbrennungsgas-Sammelkammer verbunden ist, um ein Kondensieren von Wasserdampf zu verhindern, verzichtet werden. Des Weiteren müssen die eingesetzten Materialien in der Verbrennungsgas-Sammelkammer auch nicht resistent gegen einen Angriff durch schweflige Säure sein, wodurch das Spektrum an Materialien, die eingesetzt werden können, vergrößert wird. Insbesondere können auch vergleichsweise preiswerte Materialien zum Einsatz kommen. The invention is thus based on the consideration to eliminate the water vapor from the combustion gases before they enter the combustion gas collection chamber. As a result, it is possible to dispense with the technical outlay associated with heating the combustion gas collecting chamber in order to prevent condensation of water vapor. Furthermore, the materials used in the combustion gas plenum also need not be resistant to attack by sulphurous acid, thereby increasing the range of materials that can be used. In particular, comparatively inexpensive materials can also be used.

Um den H₂- oder H₂O-Gehalt in den Verbrennungsgasen zu bestimmen, ist ein entsprechender H₂-Detektor in der Verbrennungsgasleitung zwischen der Brennkammer und der Wasserfalle angeordnet. Unter H₂-Detektor wird jeder Detektor verstanden, der den H₂O- bzw. Wasserdampfanteil in den Verbrennungsgasen bestimmt, d.h. einen Wert ermittelt, über den auf die Wasserstoffkonzentration geschlossen werden kann. Der H₂-Detektor kann als ein Infrarotdetektor mit einer Absorptionsstrecke, welche von dem Verbrennungsgas durchströmt wird, ausgebildet sein. Die Infrarotabsorption stellt eine häufig angewendete Methode der Wasserdampfmessung dar. In order to determine the H ₂ or H ₂ O content in the combustion gases, a corresponding H ₂ detector is disposed in the combustion gas conduit between the combustion chamber and the water trap. By H ₂ detector is meant any detector which determines the H ₂ O or water vapor content in the combustion gases, ie determines a value over which the hydrogen concentration can be deduced. The H ₂ detector may be formed as an infrared detector with an absorption path through which the combustion gas flows. Infrared absorption is a commonly used method of measuring water vapor.

Bei dem Analysator, welcher aus der EP 2 275 811 B1 bekannt ist, erfolgt die Messung der Wasserstoffkonzentration hinter der Verbrennungsgas-Sammelkammer. Dementsprechend kann die Wasserstoffkonzentration ermittelt werden, indem der gesamte Inhalt des Sammelvolumens durch die Absorptionsstrecke des Infrarotdetektors entleert wird und dabei das Ausgangssignal des Infrarotdetektors integriert wird. In diesem Fall muss dann die Durchflussrate durch den Infrarotdetektor konstant sein. In the analyzer, which from the EP 2 275 811 B1 is known, the measurement of the hydrogen concentration takes place behind the combustion gas collection chamber. Accordingly, the hydrogen concentration can be determined by emptying the entire contents of the collection volume through the absorption path of the infrared detector and thereby integrating the output of the infrared detector. In this case, then the flow rate through the infrared detector must be constant.

In der Verbrennungsgasleitung ist es nicht oder kaum möglich, die Durchflussrate durch den Infrarotdetektor konstant zu halten. Insofern ist es erforderlich, die jeweils momentane Durchflussrate der die Absorptionsstrecke durchströmenden Gase zu ermitteln, so dass aufgrund der jeweils momentanen Durchflussrate und den Signalen des H₂-Infrarotdetektors nach dem Integrationsverfahren die Wasserstoffkonzentration in dem Verbrennungsgas und damit in der Materialprobe ermittelt werden kann. In the combustion gas line, it is not or hardly possible to keep the flow rate through the infrared detector constant. In this respect, it is necessary to determine the respective instantaneous flow rate of the gases flowing through the absorption path, so that the hydrogen concentration in the combustion gas and thus in the material sample can be determined on the basis of the respective instantaneous flow rate and the signals of the H ₂ infrared detector according to the integration method.

Zur Bestimmung der Durchflussrate kommt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Differenzdrucksensor zum Einsatz, der an den H₂-Infrarotdetektor angeschlossen ist und den Differenzdruck zwischen dem Anfang und dem Ende der Absorptionsstrecke erfasst. Der Druckabfall innerhalb der Absorptions- bzw. Messstrecke stellt dabei ein Maß für die Durchflussrate dar. Da bei der Differenzdruckmessung die Gase nicht durch den Differenzdrucksensor bzw. dessen Aufnehmer strömen, bleibt der Differenzdrucksensor sauber. Als zusätzliche Sicherheit können dünne und recht lange Schläuche mit einem Innendurchmesser von 1 bis 3 mm und einer Länge von 20 bis 40 cm, insbesondere 25 bis 30 cm den Druck zu dem Differenzdrucksensor führen. Der Einsatz von dünnen Schläuchen, hat weiterhin den Vorteil, dass bei einer Verengung der Anschlussstellen der Schläuche durch Verschmutzung der Differenzdruck nicht verfälscht wird, weil kein Gas durch die verengten Stellen strömt. To determine the flow rate, according to a preferred embodiment of the invention, a differential pressure sensor is used, which is connected to the H ₂ infrared detector and detects the differential pressure between the beginning and the end of the absorption path. The pressure drop within the absorption or measuring section represents a measure of the flow rate. Since the gases do not flow through the differential pressure sensor or its sensor during differential pressure measurement, the differential pressure sensor remains clean. As additional security thin and quite long hoses with an inner diameter of 1 to 3 mm and a length of 20 to 40 cm, in particular 25 to 30 cm lead the pressure to the differential pressure sensor. The use of thin tubes, has the further advantage that with a narrowing of the connection points of the hoses by contamination of the Differential pressure is not distorted because no gas flows through the constricted areas.

Mit einem H₂-Infrarotdetektor, an welchem ein Differenzdruchsensor angeschlossen ist, kann die H₂-Konzentration in einer Materialprobe nach der folgenden Formel ermittelt werden: %W = K/G·∫u(t)·d(t)dt wobei %W die Wasserstoffkonzentration in der Materialprobe in Gew.% ist,

K: ein Kalibrationsfaktor ist, um den Integralwert in Wasserstoff umzurechnen,
G: das Gewicht der Materialprobe ist,
d: der Momentanwert der Durchflussrate ist und
u: der Momentanwert des Ausgangssignals des Infrarotdetektors ist.

With an H ₂ infrared detector to which a differential pressure sensor is connected, the H ₂ concentration in a material sample can be determined according to the following formula:

% W = K / G · ∫u (t) · d (t) dt

where% W is the hydrogen concentration in the material sample in wt.%,

K: a calibration factor is to convert the integral value into hydrogen,
G: the weight of the material sample is,
d: the instantaneous value of the flow rate is and
u: the instantaneous value of the output signal of the infrared detector is.

Das Integral und damit die Wasserstoffkonzentration in der Probe W ist damit proportional zu dem Produkt vom momentanen Ausgangssignal des Infrarotdetektors u multipliziert mit der momentanen Durchflussrate d und der Zeiteinheit dt dividiert durch das Probengewicht G. Nach Multiplikation mit einem Kalibrationsfaktor K, der in Form einer Kennlinie vorliegt und empirisch ermittelt wird, kann die Wasserstoffkonzentration in der Materialprobe ermittelt bzw. berechnet werden. The integral and thus the hydrogen concentration in the sample W is thus proportional to the product of the instantaneous output signal of the infrared detector u multiplied by the instantaneous flow rate d and the time unit dt divided by the sample weight G. After multiplication by a calibration factor K, which in the form of a characteristic is present and determined empirically, the hydrogen concentration in the material sample can be calculated or calculated.

Alternativ kann die Durchflussrate auch erfasst werden, indem ein Durchflussregler verwendet wird, dessen Durchflussrate extern gesteuert wird und das Steuersignal proportional zu der Durchflussrate ist. Bei einem nicht linearen Zusammenhang zwischen dem Steuersignal, d.h. der Steuergröße, und der Durchflussrate muss der Zusammenhang der beiden Größen bekannt sein, damit eine entsprechende Korrektur berechnet werden kann. Der Zusammenhang ist in der Regel in der Form einer Kennlinie bekannt oder vorgegeben. Alternatively, the flow rate may also be detected using a flow controller whose flow rate is externally controlled and the control signal is proportional to the flow rate. In a non-linear relationship between the control signal, i. the control variable, and the flow rate, the relationship of the two sizes must be known, so that a corresponding correction can be calculated. The relationship is usually known or predetermined in the form of a characteristic.

Solche Durchflussregler, welche die Durchflussrate entkoppelt von der Absorptionsstrecke des Infrarotsensors erfassen, sind allerdings insofern problematisch, als die erfasste Durchflussrate aufgrund der Komprimierbarkeit der Gase fehlerhaft ist, weil die Gase einerseits komprimierbar und andererseits mit einem Strömungswiderstand behaftet sind. Der Strömungswiderstand ändert sich auch durch die steigende Sättigung von Chemikalien und mit steigender Verschmutzung. Such flow controllers, which detect the flow rate decoupled from the absorption path of the infrared sensor, however, are problematic in that the detected flow rate is incorrect due to the compressibility of the gases, because the gases are on the one hand compressible and on the other hand, associated with a flow resistance. The flow resistance also changes due to the increasing saturation of chemicals and with increasing pollution.

Ferner ist zu berücksichtigen, dass die von einem Durchflusssensor, welcher vor oder hinter dem H₂-Infrarotdetektor angeordnet ist, zur Verfügung stellende Messergebnisse auch durch Feuchte und Verschmutzung verfälscht sind. Furthermore, it should be noted that the measurement results provided by a flow sensor which is arranged in front of or behind the H ₂ infrared detector are also distorted by moisture and contamination.

Auch ist es kaum möglich, einen Massendurchflussmesser oder Regler einzusetzen, da bei konstantem Massendurchfluss sich die Gasgeschwindigkeit bei Druckschwankungen ändert. Schließlich lassen auch die Verschmutzung und das Wasser, welches bei niedrigen Temperaturen kondensiert, aus technischen Gründen die Verwendung eines Massendurchflussreglers in der Verbrennungsgasleitung nicht und nur mit hohem Aufwand zu. Also, it is hardly possible to use a mass flow meter or regulator, since at constant mass flow, the gas velocity changes with pressure fluctuations. Finally, the pollution and the water, which condenses at low temperatures, for technical reasons, the use of a mass flow controller in the combustion gas line not and only with great effort.

Bei den bekannten Analysatoren kommen im Wesentlichen Widerstandsheizungen zum Einsatz, um die Brennkammer zu beheizen. Derartige Widerstandsheizungen sind mit dem Nachteil verbunden, dass sie viel zu träge sind, um zwischen einzelnen Analysen abzukühlen, so dass jede neue Materialprobe bei voller Analysentemperatur in den Ofen eingeführt werden muss. Die Problematik liegt darin, dass die Brennkammer geöffnet werden muss, um die Materialprobe einzusetzen. Dabei dringt in die Brennkammer Luft ein, welche aus der geschlossenen Brennkammer hinausgespült werden muss, bevor die Verbrennung beginnt. Während der Spülzeit muss die Materialprobe weit genug entfernt von der Verbrennungszone positioniert sein, damit sie während der Spülzeit nicht verbrennt. Die Erfüllung dieser Erfordernisse hat zur Folge, dass die Brennkammer sehr lang ausgebildet und der zu spülende Raum groß ausgebildet sein muss. The known analyzers are essentially resistance heaters used to heat the combustion chamber. Such resistance heaters suffer from the drawback that they are far too sluggish to cool between individual analyzes, so that each new material sample must be introduced into the furnace at full analysis temperature. The problem is that the combustion chamber must be opened to use the material sample. This air enters the combustion chamber, which must be flushed out of the closed combustion chamber before the combustion begins. During the rinse time, the material sample must be positioned far enough away from the combustion zone so that it does not burn during the rinse time. The fulfillment of these requirements has the consequence that the combustion chamber must be made very long and the space to be flushed must be large.

Um dieser Problematik zu begegnen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Verbrennungseinrichtung zur Beheizung der Brennkammer als Infrarotheizeinrichtung ausgebildet ist. Eine derartige Infrarotheizeinrichtung ist wenig träge und kann nach Beendigung jeder Analyse ausgeschaltet werden. Die Temperatur in der Brennkammer nimmt dann schnell ab, so dass eine neue Materialprobe in die Brennkammer eingeführt werden kann, ohne zu verbrennen. Des Weiteren können auch die Wärmeverluste gering gehalten werden. To counter this problem, it is provided according to a preferred embodiment that the combustion device is designed to heat the combustion chamber as an infrared heater. Such an infrared heater is not very sluggish and can be turned off after completion of each analysis. The temperature in the combustion chamber then decreases rapidly so that a new sample of material can be introduced into the combustion chamber without burning. Furthermore, the heat losses can be kept low.

Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigtWith regard to further embodiments of the invention, reference is made to the following description of an embodiment with reference to the accompanying drawings. In the drawing shows

1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Analysators in schematischer Darstellung, und 1 an embodiment of an analyzer according to the invention in a schematic representation, and

2 einen H₂-Infrarotdetektor mit Differenzdrucksensor in schematischer Schnittansicht, der im erfindungsgemäßen Analysator zum Einsatz kommt. 2 a H ₂ infrared detector with differential pressure sensor in a schematic sectional view, which is used in the analyzer according to the invention.

In der 1 ist schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Analysators dargestellt, der dazu dient, die Zusammensetzung von Materialproben zu bestimmen. Der Analysator umfasst eine Verbrennungseinrichtung 1, welche eine beheizbare Brennkammer aufweist, in welcher eine zu analysierende Materialprobe positionierbar ist. Zur Beheizung der Brennkammer ist eine nicht dargestellte Infrarotheizeinrichtung vorgesehen. Die Verbrennungseinrichtung 1 ist damit als Infrarotofen ausgebildet. Die Brennkammer besitzt einen Sauerstoffeinlass, an den eine Sauerstoffquelle 2 an die Brennkammer über eine Sauerstoffzuführleitung 3 angeschlossen ist, um der Brennkammer Sauerstoff zur Verbrennung zuzuführen. Die Brennkammer besitzt ferner einen Verbrennungsgasauslass, über den sie mittels einer Verbrennungsgasleitung 4 mit einer Verbrennungsgas-Sammelkammer 5 verbunden ist. Die Verbrennungsgas-Sammelkammer 5 wird zwischen der Wandung eines Verbrennungsgas-Sammelbehälters 6 und einem Kolben 7 gebildet, der in dem Verbrennungsgas-Sammelbehälter 6 verschiebbar gehalten und gegenüber der Behälterwandung abgedichtet ist. In the 1 schematically an embodiment of an analyzer according to the invention is shown, which serves to the composition of material samples. The analyzer includes a combustion device 1 , which has a heatable combustion chamber in which a material sample to be analyzed can be positioned. For heating the combustion chamber, an infrared heater, not shown, is provided. The combustion device 1 is thus designed as an infrared oven. The combustion chamber has an oxygen inlet to which an oxygen source 2 to the combustion chamber via an oxygen supply line 3 is connected to supply oxygen to the combustion chamber for combustion. The combustion chamber further has a combustion gas outlet through which it communicates by means of a combustion gas conduit 4 with a combustion gas collection chamber 5 connected is. The combustion gas collection chamber 5 is between the wall of a combustion gas collection tank 6 and a piston 7 formed in the combustion gas collecting tank 6 held displaceable and sealed against the container wall.

In der Verbrennungsgasleitung 4 sind in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase hintereinander ein H₂-Detektor 8 und eine Wasserfalle 9 vorgesehen. Der H₂-Detektor 8 dient dazu, den Wasser- bzw. Wasserdampfgehalt in den Verbrennungsgasen zu bestimmen, um auf die H₂-Konzentration in der Materialprobe schließen zu können, und die Wasserfalle 9 dient dazu, Wasser und/oder Wasserdampf aus den Verbrennungsgasen zu beseitigen und diese zu trocknen, bevor sie in die Verbrennungsgas-Sammelkammer 5 eintreten. In the combustion gas line 4 are in the flow direction of the combustion gases in succession an H ₂ detector 8th and a water trap 9 intended. The H ₂ detector 8th serves to determine the water or water vapor content in the combustion gases, in order to be able to infer the H ₂ concentration in the material sample, and the water trap 9 serves to remove water and / or water vapor from the combustion gases and to dry them before entering the combustion gas collection chamber 5 enter.

Während der Verbrennung der Materialprobe ist die Durchflussrate des Verbrennungsgases durch die Verbrennungsgasleitung 4 und damit auch den H₂-Detektor 8 nicht konstant. Um dennoch die H₂-Konzentration in den Verbrennungsgasen genau bestimmen zu können, wird ein H₂-Detektor 8 zusammen mit einem Differenzdrucksensor 10 eingesetzt, wie es in 2 dargestellt ist. Der H₂-Detektor 8 ist hier als ein Infrarotdetektor ausgebildet. Dieser umfasst ein rohrförmiges Detektorgehäuse, in dem eine Adsorptionsstrecke 7 ausgebildet ist, die sich zwischen einem Einlass 8c und einem Auslass 8d des rohrförmigen Detektorgehäuses 8a erstreckt. Das rohrförmige Detektorgehäuse 8a ist an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten durch Sichtfenster 8e, 8f verschlossen. Des Weiteren umfasst der Infrarotdetektor 8 einen Infrarotstrahler 8g und einen Infrarotsensor 8h, die auf gegenüberliegenden Seiten des Detektorgehäuses 8 derart positioniert ist, dass von dem Infrarotstrahler 8g emittierte Strahlung durch das Sichtfenster 8e, die Absorptionsstrecke 7 und das Sichtfenster 8f zu dem Infrarotsensor 8h gestrahlt wird. Die IR-Strahlung wird dabei teilweise absorbiert. Die vom Infrarotsensor erfasste Strahlung ist daher schwächer als die vom Infrarotstrahler 8g imitierter Strahlung. Die entsprechende Signaländerung dient als Maß für die Wasserstoffkonzentration, welche in dem Verbrennungsgas enthalten ist.During the combustion of the material sample, the flow rate of the combustion gas through the combustion gas line 4 and thus the H ₂ detector 8th not constant. To be able to determine the H ₂ concentration in the combustion gases accurately, however, becomes an H ₂ detector 8th together with a differential pressure sensor 10 used as it is in 2 is shown. The H ₂ detector 8th is designed here as an infrared detector. This comprises a tubular detector housing in which an adsorption path 7 is formed, which is between an inlet 8c and an outlet 8d the tubular detector housing 8a extends. The tubular detector housing 8a is on its two opposite end faces through viewing windows 8e . 8f locked. Furthermore, the infrared detector includes 8th an infrared radiator 8g and an infrared sensor 8h located on opposite sides of the detector housing 8th is positioned such that of the infrared radiator 8g emitted radiation through the viewing window 8e , the absorption route 7 and the viewing window 8f to the infrared sensor 8h is blasted. The IR radiation is partially absorbed. The radiation detected by the infrared sensor is therefore weaker than that of the infrared radiator 8g imitated radiation. The corresponding signal change serves as a measure of the hydrogen concentration contained in the combustion gas.

An den H₂-Infrarotdetektor 8 ist ein Differenzdrucksensor 10 angeschlossen, welcher den Differenzdruck zwischen dem Anfang und dem Ende der Absorptionsstrecke 8b erfasst. Der Differenzdrucksensor 10 ist über lange, dünne Schläuche 10a, 10b mit einem Innendurchmesser von 2 mm und einer Länge von 25 cm an die Absorptionsstrecke 8b angeschlossen, wobei die Anschlussstellen dem Gaseinlass 8c und dem Gasauslass 8d des Detektorgehäuses 8 etwa gegenüber liegen. Der Differenzdrucksensor 10 erfasst einen Druckabfall innerhalb der Absorptionsstrecke 8b, der ein Maß durch die Durchflussrate des durchströmenden Gases ist. Da bei der Differenzdruckmessung die Verbrennungsgase nicht durch den Differenzdrucksensor 8b strömen, bleibt dieser sauber. To the H ₂ infrared detector 8th is a differential pressure sensor 10 connected, which the differential pressure between the beginning and the end of the absorption path 8b detected. The differential pressure sensor 10 is over long, thin tubes 10a . 10b with an inner diameter of 2 mm and a length of 25 cm to the absorption section 8b connected, with the connection points the gas inlet 8c and the gas outlet 8d of the detector housing 8th lie about opposite. The differential pressure sensor 10 detects a pressure drop within the absorption section 8b , which is a measure of the flow rate of the gas flowing through. Because in the differential pressure measurement, the combustion gases are not through the differential pressure sensor 8b flow, this remains clean.

Der H₂-Infrarotdetektor 8 und der Differenzdrucksensor 10 liefern jeweils Ausgangssignale, die ein Maß für die momentane Wasserdampf-Konzentration und damit H₂-Konzentration und für die momentane Durchflussrate liefern. Durch Integration dieser Werte über die Zeit kann die Gesamtmenge an Wasserdampf und damit Wasserstoff in der Probe ermittelt werden. Dividiert man den erhaltenen Wert durch das Probengewicht G, kann die Wasserstoffkonzentration in der Probe ermittelt werden. Diese erhält man nach der folgenden Formel: %W = K/G·∫u(t)·d(t)dt wobei

%W die Wasserstoffkonzentration in der Materialprobe in Gew.% ist,
K ein Kalibrationsfaktor ist, um den Integralwert in Wasserstoff umzurechnen,
G das Gewicht der Materialprobe ist,
d der Momentanwert der Durchflussrate ist und
u der Momentanwert des Ausgangssignals des Infrarotdetektors ist.

The H ₂ infrared detector 8th and the differential pressure sensor 10 each provide output signals that provide a measure of the instantaneous water vapor concentration and thus H ₂ concentration and for the instantaneous flow rate. By integrating these values over time, the total amount of water vapor and thus hydrogen in the sample can be determined. Dividing the value obtained by the sample weight G, the hydrogen concentration in the sample can be determined. These are obtained according to the following formula:

% W = K / G · ∫u (t) · d (t) dt

in which

% W is the hydrogen concentration in the material sample in wt.%,
K is a calibration factor to convert the integral value to hydrogen,
G is the weight of the material sample,
d is the instantaneous value of the flow rate and
u is the instantaneous value of the output signal of the infrared detector.

Zwischen der Verbrennungsgas-Sammelkammer 5 und der Wasserfalle 9 ist in der Verbrennungsgasleitung 4 ein Ventil 11 vorgesehen, über welches der Durchfluss durch die Verbrennungsgasleitung 4 reguliert und insbesondere unterbunden werden kann. Between the combustion gas collection chamber 5 and the water trap 9 is in the combustion gas line 4 a valve 11 provided, via which the flow through the combustion gas line 4 regulated and in particular can be prevented.

An einen Auslass der Verbrennungsgas-Sammelkammer 5 ist eine Abgasleitung 12 angeschlossen. In dieser Abgasleitung 12 sind in Strömungsrichtung hintereinander mehrere Detektoren vorgesehen, über welche die Bestandteile des Verbrennungsgases analysiert werden können. Im Einzelnen sind in der Abgasleitung 12 ein CO₂-Detektor 14 und ein SO₂-Detektor 15 vorgesehen. Ferner ist ein N₂-Detektor vorgesehen, dem allerdings nur ein Teil der Verbrennungsgase zugeführt werden, die aus der Abgasleitung 12 über einen Verteiler 16 abgezweigt werden. Den Detektoren 14, 15, 17 vorgeschaltet ist in der Abgasleitung 12 ein Ventil 13 vorgesehen, über welches die Durchflussrate durch die Abgasleitung 12 reguliert werden kann. To an outlet of the combustion gas collection chamber 5 is an exhaust pipe 12 connected. In this exhaust pipe 12 a plurality of detectors are provided in the flow direction one behind the other, via which the components of the combustion gas can be analyzed. In detail, in the exhaust pipe 12 a CO ₂ detector 14 and an SO ₂ detector 15 intended. Furthermore, an N ₂ detector is provided, which, however, only a portion of the combustion gases are supplied from the exhaust pipe 12 via a distributor 16 be diverted. The detectors 14 . 15 . 17 upstream is in the exhaust pipe 12 a valve 13 provided via which the flow rate through the exhaust pipe 12 can be regulated.

Schließlich ist eine zentrale Steuereinrichtung vorgesehen, welche den Betrieb des Analysators steuert und auch die Auswertung der Messergebnisse vornimmt. Entsprechend sind alle Komponenten des Analysators, insbesondere die Detektoren 8, 14, 15 und 17 und der Differenzdrucksensor 10a an die Steuereinrichtung angeschlossen. Finally, a central control device is provided, which controls the operation of the analyzer and also carries out the evaluation of the measurement results. Accordingly, all components of the analyzer, in particular the detectors 8th . 14 . 15 and 17 and the differential pressure sensor 10a connected to the controller.

Im Betrieb wird in an sich bekannter Weise eine zu analysierende Materialprobe in die Brennkammer der Verbrennungseinrichtung 1 eingesetzt, die mit O₂-Gas, welches von der Sauerstoffquelle 2 zuführt wird, gespült wird. Anschließend wird die Materialprobe unter Zufuhr von Sauerstoff verbrannt. Die Sauerstoffzufuhr wird dabei von der zentralen Steuereinrichtung gesteuert und über ein entsprechendes Ventil der Steuerzuführleitung 3 reguliert. Die bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsgase werden über die Verbrennungsgasleitung 4 der Verbrennungsgas-Sammelkammer 5 zugeführt und darin gesammelt. Während dieses Vorgangs ist das Ventil 13 in der Abgasleitung 12 geschlossen, so dass die Verbrennungsgase nicht aus der Verbrennungsgas-Sammelkammer 5 entweichen können. Aufgrund der sich in der Verbrennungsgas-Sammelkammer 5 sammelnden Verbrennungsgase wird der Kolben 7 nach oben gedrückt. In operation, in a manner known per se, a material sample to be analyzed is introduced into the combustion chamber of the incinerator 1 used with O ₂ gas, which from the oxygen source 2 is fed, is rinsed. Subsequently, the material sample is burned with the supply of oxygen. The oxygen supply is controlled by the central control device and via a corresponding valve of Steuerzuführleitung 3 regulated. The resulting combustion gases are burned through the combustion gas line 4 the combustion gas collection chamber 5 fed and collected in it. During this process is the valve 13 in the exhaust pipe 12 closed, so that the combustion gases are not from the combustion gas collection chamber 5 can escape. Due to being in the combustion gas collection chamber 5 collecting combustion gases becomes the piston 7 pushed up.

Während die Verbrennungsgase die Verbrennungsgasleitung 4 durchströmen, werden in dem H₂-Detektor 8 der Wasser- bzw. Wasserdampfanteil und damit die H₂-Konzentration in den Verbrennungsgasen ermittelt. Anschließend werden die Verbrennungsgase in der Wasserfalle 9 getrocknet. Mit anderen Worten werden Wasser und Wasserdampf aus den Verbrennungsasen entfernt. Nach abgeschlossener Verbrennung wird das Ventil 11 in der Verbrennungsgasleitung 4 geschlossen und das Ventil 13 in der Abgasleitung 12 geöffnet. Dann wird der Kolben 7 über einen entsprechenden Antrieb niedergedrückt, so dass die Verbrennungsgase aus der Verbrennungsgas-Sammelkammer 5 durch die Abgasleitung 12 gedrückt werden. Dabei werden die Verbrennungsgase auf ihre Zusammensetzung in den Detektoren 14, 14, 17 analysiert, d.h. es wird der CO₂-, der SO₂- und der N₂-Gehalt bestimmt. While the combustion gases are the combustion gas line 4 flow through are in the H ₂ detector 8th the water or water vapor content and thus the H ₂ concentration determined in the combustion gases. Subsequently, the combustion gases in the water trap 9 dried. In other words, water and water vapor are removed from the combustion gases. After completion of the combustion, the valve becomes 11 in the combustion gas line 4 closed and the valve 13 in the exhaust pipe 12 open. Then the piston 7 Depressed by a corresponding drive, so that the combustion gases from the combustion gas collection chamber 5 through the exhaust pipe 12 be pressed. The combustion gases are based on their composition in the detectors 14 . 14 . 17 analyzed, ie the CO ₂ -, the SO ₂ - and the N ₂ content is determined.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3301971 A1 [0002]
EP 2275811 B1 [0003, 0011]

Claims

Analyzer for determining the composition of in particular protein-containing material samples with - a combustion device ( 1 ) having a heatable combustor in which a sample of material to be analyzed is positionable, the combustor having an oxygen inlet connected to an oxygen source (US Pat. 2 ) is connected or connectable to supply oxygen to the combustion chamber for combustion, and having a combustion gas outlet, - a combustion gas collection chamber ( 5 ), the inlet side via a combustion gas line ( 4 ) is connected to the combustion gas outlet of the combustion chamber, - at least one detector ( 8th . 14 . 15 . 17 ) to determine the composition of the combustion gases, and - a water trap ( 9 ) to remove water vapor and / or water from the combustion gases, characterized in that the water trap ( 9 ) in the combustion gas line ( 4 ) between the combustion chamber and the combustion gas collection chamber ( 5 ) and that an H ₂ detector ( 8th ) in the combustion gas line ( 4 ) between the combustion chamber and the water trap ( 9 ) is arranged.

Analyzer according to claim 1, characterized in that the H ₂ detector ( 8th ) as an infrared detector with an absorption path ( 8b ), which is traversed by the combustion gas is formed.

Analyzer according to claim 2, characterized in that the H ₂ infrared detector ( 8th ) a differential pressure sensor ( 10 ) is connected, which the differential pressure between the beginning and the end of the absorption path ( 8b ) detected.

Analyzer according to claim 3, characterized in that the H ₂ infrared detector ( 8th ) is assigned to an evaluation unit, which is designed to be due to the of the differential pressure sensor ( 10 ) detected differential pressure, the instantaneous flow rate of the combustion gas through the absorption path ( 8b ) and based on the instantaneous flow rate and the signals of the H ₂ infrared detector ( 8th ) after the integration process to determine the hydrogen concentration in the combustion gas and thus in the material sample.

Analyzer according to claim 4, characterized in that the H ₂ concentration in a material sample is determined according to the following formula:

% W = K / G · ∫u (t) · d (t) dt

where% W is the hydrogen concentration in the sample of material in wt%, K is a calibration factor to convert the integral value to hydrogen, G is the weight of the material sample, d is the instantaneous flow rate value, and u is the instantaneous value of the H ₂ infrared detector output ( 8th ).

Analyzer according to one of the preceding claims, characterized in that to an outlet of the combustion gas collection chamber ( 5 ) an exhaust pipe ( 12 ) is connected, in which at least one further detector ( 14 . 15 . 17 ) for determining the content of at least one further constituent of the material sample, in particular a CO ₂ detector ( 14 ) and / or an SO ₂ detector ( 15 ) and / or an N ₂ detector ( 17 ) connected.

Analyzer according to one of the preceding claims, characterized in that the combustion device ( 1 ) is designed to heat the combustion chamber as an infrared heater.