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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Mit derartigen Vorrichtungen werden bestimmte Gasanteile, z. B. Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid, SO2, NH3, NO NO2, HCl, HF oder dergleichen, mittels optischer Transmission oder Lichtstreuung gemessen. Zumeist wird dabei die Konzentration dieser Gasanteile ermittelt.
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Anwendungsgebiete sind zum Beispiel Emissionsmessungen von Industrieanlagen, bei denen die Abgase in einem Abgaskanal auf ihren Gehalt bestimmter molekularer Verbindungen überwacht werden müssen. Häufig sind die Gasströme, denen die optoelektronische Vorrichtung ausgesetzt ist, um die gewünschten Gasanteile zu messen, durch hohe Partikelbelastungen, wie zum Beispiel Rauch, Stäube oder andere Aerosole, gekennzeichnet. Diese hohen Partikelbelastungen verursachen eine große Lichtabsorption und/oder eine hohe Lichtstreuung, die die eigentliche Messung stark behindert bis unmöglich macht. So hat beispielsweise Schwefelwasserstoff eine sehr breite Absorption wie auch ultrafeiner Staub. Es kann dann nicht mehr unterschieden werden, ob die Absorption von Schwefelwasserstoff herrührt oder von dem Staub.
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Zum Fernhalten derartiger Partikel, die die Messung stören, ist es bekannt (z. B.
US 4,549,080 ), Filter vorzusehen, die aus einem Rohrstück aus porösem Material bestehen, in dessen Innerem sich die Messstrecke befindet. Aufgrund der porösen Struktur kann zwar das zu messende Gas in die Messstrecke gelangen, aber je nach Porengröße können Partikel, wie Rauch, Stäube oder Aerosole, abgehalten werden. Allerdings sollte dieser Schutz der optischen Messstrecke einen Gasaustausch ins Innere nicht nennenswert behindern, so dass die Geräte eine akzeptable Ansprechzeit, die für zertifizierte Geräte sogar vorgegeben ist, gewährleisten, also eine möglich große Gasdurchlässigkeit aufweisen.
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Für die Überprüfung des Messsystems auf korrekte Messung ist es je nach Anwendung und Gesetzgebung gewünscht oder notwendig, das Messsystem mit einem Prüfgas zu beaufschlagen, dessen Konzentration man sehr gut kennt. Diese Prüfgase sind typischerweise sehr teuer und der Kunde ist daran interessiert, eine möglichst geringe Menge davon zu verbrauchen. Deshalb ist eine möglichst kleine Gasdurchlässigkeit des Messstreckenschutzes (Filter) wünschenswert, was erkennbar im Widerspruch zu der oben genannten geringen Ansprechzeit steht.
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Aus diesem Grund sind Lösungen gefragt, die eine möglichst große Durchlässigkeit für die Messgase im Messbetrieb bieten, aber Staub und Wassertröpfchen fern halten. Im Gegensatz dazu sollen diese Lösungen allerdings eine möglichst kleine Durchlässigkeit im Referenz- bzw. Kontrollbetrieb aufweisen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, mit der der Verbrauch an Prüfgas reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse umfasst
- – ein Gehäuse,
- – eine Messlanze, deren eine erste Ende an das Gehäuse angeschlossen ist und die mit ihrem anderen zweiten Ende in das zu messende Gas hineinragt,
- – einen im Gehäuse angeordneten Lichtsender, dessen Licht in die Messlanze geführt ist und von einem am zweiten Ende angeordneten Reflektor auf einen Lichtempfänger reflektiert wird und der Strahlengang eine optische Messtrecke innerhalb der Messlanze definiert,
- – wobei die Messlanze Öffnungen aufweist, durch die das Messgas über ein Filter in die Messstrecke gelangt,
- – und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers.
Erfindungsgemäß weist die Messlanze ein die Öffnungen aufweisendes Außenrohr und dazu ein gasdichtes Innenrohr auf, wobei das Licht durch das Innenrohr geführt ist und in der Länge veränderbar ist und bei ausgefahrenem Innenrohr die Messstrecke in dem Innenrohr liegt.
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Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in dem geringen Prüfgasverbrauch und der sehr einfach gewordenen Überprüfung des Messsystems.
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Der Prüfgasverbrauch reduziert sich im Idealfall auf das reine Innenvolumen des gasdichten Innenrohres oder besser gesagt auf die Volumendifferenz zwischen ein- und ausgefahrenem Innenrohr. Es geht kein Prüfgas während des Prüfbetriebs verloren. Das ist auch unabhängig von der Länge der aktiven Messstrecke.
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Die Überprüfung selbst kann sehr einfach durchgeführt werden, denn es muss lediglich das Innenrohr ausgefahren werden und am besten gleichzeitig mit dem Prüfgas befüllt werden.
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Der Prüfbetrieb könnte auch automatisch in definierten Zeitintervallen erfolgen oder aber durch manuelle Betätigung durchgeführt werden.
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Zur besseren Führung und Vermeidung eines Verklemmens ist das Innenrohr durch Führungselemente geführt und bevorzugt elektromotorisch verschiebbar. Die Verschiebung könnte auch pneumatisch, hydraulisch oder auf ähnliche Art erfolgen. Zugehörige elektromechanische Antriebskomponenten können am ersten Ende der Lanze verteilt angeordnet sein. Bevorzugt wird die Bewegung des Innenrohres durch zwei oder drei, äquidistant über den Umfang verteilt angeordnete Stäbe geführt. Durch die räumliche Verteilung der Führungselemente wird die Zug-/Schubkraft gleichmäßig auf den Umfang des Innenrohres verteilt.
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Alternativ wäre auch ein Drahtseilzugantrieb oder ein Antrieb über eine Gewindespirale in Kombination mit Schrittmotoren als Antrieb vorstellbar. Als weitere Alternative könnten auch Linearmotoren eingesetzt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Innenrohr zweiteilig ausgebildet und die beiden Teile sind mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet und gegeneinander teleskopartig längsverschiebbar. Im eingefahrenen (nicht verlängerten) Zustand des Innenrohres gelangt Messgas in die Messstrecke und im ausgefahrenen (verlängerten) Zustand schiebt sich das Innenrohr über die optische Messstrecke, so dass diese vollständig innerhalb des Innenrohres liegt. Die Volumendifferenz zwischen den beiden Teilen des Innenrohres kann mit Prüfgas befüllt werden.
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Die teleskopartige Ausbildung kann dazu genutzt werden, dass das eine statische Teil, das mit kleinerem Durchmesser, ein Führungselement bildet für das andere bewegte Teil mit dem größeren Durchmesser.
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Alternativ oder zusätzlich könnte auch das Außenrohr ein Führungselement bilden.
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Um sicher zu gehen, dass sich kein Messgas in der Prüfphase, also bei verlängertem Innenrohr, in dem optischen Weg befindet, kann das Innenrohr bis auf die Länge des Außenrohres verlängert werden. Das Innenrohr stößt dann quasi an das Ende des Außenrohres an und verdrängt somit sämtliches Gas zwischen der Stirnseite des Innenrohres und dem Ende des Außenrohres.
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Sinnvollerweise ist ein Prüfgasanschluss an dem Innenrohr vorgesehen, um darüber das Innenrohr und damit die Messtrecke bei ausgefahrenem Innenrohr mit einem Prüfgas befüllen zu können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur optischen in-situ Gasanalyse in einem Gasstrom in Betriebsposition;
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2 die Vorrichtung aus 1 in Prüfposition;
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform in Prüfposition;
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4 die Vorrichtung aus 3 in Betriebsposition;
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5 die Vorrichtung aus 3 und 4 in Zwischenposition zur Linearitätsprüfung.
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Eine erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung 10 zur optischen in-situ Gasanalyse eines Gasstroms, der in einem Abgaskanal 26 in eine Richtung 28 strömt, weist in einem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Lichtsender 12 auf, der einen Sendelichtstrahl 14 aussendet. Der Sendelichtstrahl 14 definiert eine Messstrecke 16 und wird nach Reflexion an einem Retroreflektor 18 und einem Teilerspiegel 20 von einem Lichtempfänger 22 empfangen. Der Lichtempfänger 22 erzeugt in Abhängigkeit des auftreffenden Lichts Empfangssignale, die in einer Auswerteeinrichtung 24 ausgewertet werden, beispielsweise um die Konzentration einer Gaskomponente des Messgases zu bestimmen. Die Gaskomponente ist durch Punkte 27 dargestellt.
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Eine solche optoelektronische Vorrichtung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Transmissiometer ausgebildet, so dass mit dem Lichtempfänger 22 die Intensität des die Messstrecke 16 durchstrahlenden Lichts gemessen wird. In der Regel ist der Lichtsender 12 auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt, die von der zu untersuchenden Gaskomponente 27, beispielsweise Schwefelwasserstoff, absorbiert wird. Über das am Lichtempfänger 22 empfangene Licht kann dann eine Aussage gemacht werden, wie hoch die Konzentration der interessierenden Gaskomponente 27 in dem Gasstrom 28 ist, der in dem Abgaskanal 26 geführt ist.
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Die optoelektronische Vorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 29, mit einer Messlanze 30, deren eine erste Ende 32 an das Gehäuse 29 angeschlossen ist und die mit ihrem anderen zweiten Ende 34 in den Abgaskanal 26 und damit in das zu messende Gas 28 hineinragt. Gehäuse 29 und Messlanze 30 sind über einen Befestigungsflansch 36 an einer Wand des Abgaskanals festgelegt.
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In dem Gehäuse 29 sind die optoelektronischen Einheiten, wie Lichtsender 12 Lichtempfänger 22 und Auswerteeinrichtung 24 angeordnet. Das Gehäuse ist mit einem Fenster 48 verschlossen, durch das das Licht 14 in das Gehäuse 29 ein- und austritt. Von dem Gehäuse 29 ist das Licht 14 in die Messlanze 30 geführt und definiert die am gehäusefernen zweiten Ende 34 gelegene Messstrecke 16. An dem zweiten Ende 34 der Messlanze 30 ist der Retroreflektor 18 gehalten, der das Licht auf den gleichen Weg zurück zum Gehäuse 29 und damit zum Teilerspiegel 20 und Empfänger 22 reflektiert.
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Die Messlanze 30 umfasst ein Außenrohr 40, das sich über die gesamte Länge der Messlanze 30 erstreckt und das an seinem einen Ende an dem Gehäuse 29 festgelegt ist und an seinem anderen Ende den Retroreflektor 18 hält. In dem Bereich des Außenrohres 40, der in den Abgaskanal 26 hineinragt, weist das Außenrohr 40 Öffnungen 42 auf, so dass Anteile des Gasstroms 28 in die Messstrecke 16 gelangen können (1).
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Der in dem Abgaskanal 26 geführte Gasstrom 28 kann mit Partikeln belastet sein, beispielsweise Staub, Rauch oder sonstige Aerosole, wobei die Partikel die eigentliche optische Messung auf der Messstrecke 16 stören. Um die Partikel von der Messstrecke 16 fern zu halten, ist im Bereich der Öffnungen 42 in bekannter Weise ein gasdurchlässiges Filter 44, bevorzugt aus porösem Material, vorgesehen. Alternativ ist hier auch eine gasdurchlässige Membran einsetzbar mit der gleichen Wirkung wie ein Filter Das Filter 44 ist rohrförmig ausgebildet, und die Messstrecke 16 befindet sich in dessen Innerem. Die vorgenannten Partikel werden durch das Filter aufgehalten aber das eigentliche Abgas mit der Gaskomponente 27 kann durch das Filter hindurch in die Messstrecke 16 gelangen. In dem Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 befindet sich das Filter 44 an der Innenseite des Außenrohres 40.
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Weiter weist die Messlanze 30 ein bevorzugt koaxial zum Außenrohr 40 angeordnetes Innenrohr 46 auf. Das Innenrohr 46 ist an das Gehäuse 29 angebunden und schließt sich direkt an das Fenster 48 an. Das Innenrohr 46 ist gasdicht ausgebildet, so dass kein Messgas in das Innenrohr 46 gelangen kann. Auf dem optischen Weg im Innenrohr 46 kann also keine Absorption durch die Gaskomponente 27 erfolgen. Am dem gehäusefernen Ende weist das Innenrohr 46 ein Fenster 50 auf, so dass das Licht vom Gehäuse 29 axial durch das Innenrohr 46 hindurch und wieder aus dem Innenrohr 46 austreten kann.
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Weiter ist das Innenrohr 46 in Rohrlängsrichtung verlängerbar ausgebildet. Dazu kann es beispielsweise in einer ersten Ausführungsform einen Balg aufweisen, der bevorzugt im gehäusenahen Bereich angeordnet ist. Dies ist sehr schematisch in 1 dargestellt. Die Verlängerung wird bewirkt durch einen nicht dargestellten Elektroantrieb, der über eine geeignete Mechanik an dem Innenrohr angreift und dieses auf die gewünschte Länge verlängert, so dass das Innenrohr 46 zwischen einer Minimallänge und einer Maximallänge veränderbar ist. Diese Endpositionen sind in 1 (Minimallänge) und 2 (Maximallänge) dargestellt. Der Antrieb könnte auch pneumatisch, hydraulisch oder dergleichen ausgebildet sein.
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In der einen Endpositionen ist das Innenrohr eingefahren (1, Minimallänge). Das Messgas 28 mit der Gaskomponente 27 kann in die Messstrecke 16 gelangen und eine reguläre Messung kann vorgenommen werden (Betriebsposition).
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In der anderen Endpositionen ist das Innenrohr ausgefahren (2, Maximallänge). Das Messgas 28 mit der Gaskomponente 27 kann nicht in die Messstrecke 16 gelangen, denn die Messstrecke 16 befindet sich dann im Inneren des gasdichten Innenrohres 46. In dieser Endposition, die in 2 dargestellt ist, stößt das Fenster 50 des Innenrohres 46 an eine optische Grenzfläche 52, das ein Reflektorgehäuse 54 gasdicht abschließt. Das Messgas 28 kann dann nur noch in einen Ringspalt zwischen Innen- 46 und Außenrohr 40 gelangen, was nicht weiter von Relevanz ist. Es kann nicht mehr in den Lichtweg zwischen Sender 12 – Reflektor 18 – Empfänger 22 gelangen.
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In dieser Endposition ist die Messstrecke 16 also frei von Messgas 27 und ein Prüfbetrieb kann erfolgen (Prüfposition). Zur Einleitung von Prüfgas in das Innenrohr 46 ist ein Prüfgasanschluss 56 vorgesehen.
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Wenn dann wieder zum Arbeitsbetrieb und zur Betriebsposition gewechselt werden soll, muss das Prüfgas aus dem Innenrohr 46 wieder abgepumpt werden, damit es keine die eigentliche Messung störende Absorptionen verursacht.
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Zur Verbesserung und damit das Prüfgas in der Betriebsposition vollständig aus dem Lichtweg verdrängt werden kann, und somit irgendwelche Reste von Prüfgas die Messung im Arbeitsbetrieb nicht verfälschen können, ist das Innenrohr 46 in einer weiteren Ausführungsform teleskopartig aus zwei Rohrteilen 46-1 und 46-2 mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet, wie dies nach 3 darstellt. Das innere Rohrteil 46-1 ist statisch und gasdicht ausgebildet. Es ist stirnseitig durch ein Fenster 58 abgeschlossen.
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Das Rohrteil 46-2 mit dem größeren Durchmesser ist wie oben zu 1 und 2 beschrieben ausgebildet, also ebenfalls gasdicht ausgebildet und weist am gehäusefernen Ende das Fenster 50 auf.
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In der Prüfposition (3) gilt das oben zu dem Ausführungsbeispiel nach 2 Gesagte. In der Betriebsposition (4) jedoch liegt das Fenster 50 des Rohrteils 46-2 direkt an dem Fenster 58 des Rohrteils 46-1 an. Dadurch ist sichergestellt, dass sich im Arbeitsbetrieb kein Prüfgas in dem Lichtweg zwischen Sender 12 – Reflektor 18 – Empfänger 22 befindet. Eine Evakuierung des Innenrohres wie im Ausführungsbeispiel nach 1 ist nicht notwendig.
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Der Prüfgasverbrauch reduziert sich auf die Volumendifferenz zwischen den beiden Rohrteilen 46-1 und 46-2. Zum Ein- und Auslassen des Prüfgases genügt es in dieser Ausführungsform, dass das Rohrteil 46-2 ausgefahren wird. Es „saugt“ dann durch die Volumenvergrößerung das Prüfgas über den Prüfgasanschluss 56 selbsttätig an. Beim Einfahren des Rohrteils 46-2 wird das Prüfgas verdrängt und durch den Prüfgasanschluss automatisch ausgetrieben.
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Zur besseren Führung und Vermeidung eines Verklemmens bei der Bewegung des Innenrohrs 46 bzw. des Rohrteils 46-2 sind nicht dargestellte Führungselemente vorgesehen. Diese sind durch zwei oder drei äquidistant über den Umfang verteilt angeordnete Stäbe gebildet, entlang derer das Rohr verfahren wird. Die Bewegung kann durch elektromechanische Antriebskomponenten am gehäuseseitigen Ende 32 der Lanze 30 bewirkt werden. Alternativ wäre auch ein Drahtseilzugantrieb oder ein Antrieb über eine Gewindespirale in Kombination mit Schrittmotoren als Antrieb vorstellbar. Als weitere Alternative könnten auch Linearmotoren eingesetzt werden oder gar auf pneumatische oder hydraulische Antriebe zrückgegriffen werden.
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Wenn das Innenrohr 46 wie im zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben (3 und 4) zweiteilig teleskopartig ausgebildet ist, kann das dazu genutzt werden, dass das statische Rohrteil 46-1 ein Führungselement für das andere bewegte Rohrteil 46-2 bildet. Alternativ oder zusätzlich könnte auch das Außenrohr 40 ein Führungselement für das bewegte Rohrteil 46-2 bilden.
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In der zweiten Ausführungsform sind auch Linearitätsprüfungen möglich. Dazu wird das Rohrteil 46-2 nur teilweise zwischen Minimal- und Maximalverlängerung ausgefahren und in verschiedenen Zwischenpositionen jeweils Gaskonzentrationsmessungen vorgenommen. Eine solche Zwischenposition ist beispielhaft in 5 dargestellt. Derartige Linearitätsmessungen können der Funktionskontrolle der Vorrichtung dienen. Voraussetzung ist, dass die Konzentrationen der Absorber in der Messstrecke und im Prüfgas über die Zeitdauer der Linearitätsmessungen in etwa konstant sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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