DE20320366U1

DE20320366U1 - Flammen-Ionisations-Detektor

Info

Publication number: DE20320366U1
Application number: DE20320366U
Authority: DE
Original assignee: ANALYSENMESSTECHNIK BERNATH AT; Analysenmesstechnik Bernath Atomic & Co KG GmbH
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2003-09-13
Filing date: 2003-09-13
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2013-09-14

Abstract

Flammen-Ionisations-Detektor mit einer Brennerdüse (12) aus der wenigstens ein Brenngas ausströmt und verbrennt und mit einem der Brennerdüse (12) zugeordneten Elektrodenpaar (14, 16) zur Messung eines Stromes von in der Verbrennung erzeugten Ionen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse (12) mehr als eine Düsenöffnung (28, 30, 32) zur Bildung mehrerer Flammen (34, 36, 38) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flammen-Ionisations-Detektor mit einer Brennerdüse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 0 922 956 A1 ist ein derartiger Flammen-Ionisations-Detektor (im Folgenden kurz FID genannt) bekannt. Ein solcher FID wird seit langem für die Messung von Kohlenwasserstoffgesamtkonzentration verwendet. Das Messprinzip des FID beruht darauf, dass in einer Wasserstoffflamme aus den Kohlenwasserstoffmolekülen Ionen gebildet werden. Die Flamme brennt zwischen zwei, ein Elektrodenpaar bildenden Elektroden, an denen eine Gleichspannung anliegt. Die in der Flamme entstehenden Ionen bewirken einen Ladungstransport, der als Ionenstrom messbar ist. In der Regel wird die kohlenwasserstofffreie Brennluft und das Brenngas (Wasserstoff oder ein Wasserstoff-Helium Gemisch) dem Brenner getrennt zugeführt. Das zu untersuchende Probengas wird dem Brenngas vor oder in der Brennerdüse zugemischt. Der aus der EP 0 922 956 A1 bekannte FID hat noch die Besonderheit, dass in einem Ausführungsbeispiel ein weiterer Brenngas- und Probengaskanal vorgesehen sind, die zu einer weiteren Brennöffnung führen und eine zweite Flamme erzeugen. Der weiteren Flamme ist eine separate Elektrode zugeordnet, so dass es sich letztlich um zwei nebeneinander angeordnete FID's handelt, die entsprechend der Aufgabe, nämlich ggf. mehrere Abgasbestandteile separat messen zu können, separat messen bei möglichst minimaler Baugröße.
Wie jedem Messgerät liegen auch dem FID Probleme zugrunde, die kein absolut korrektes Messergebnis zulassen. Zu den Problemen gehören die Folgenden.
In der Theorie sollte ein FID ein proportionales Signal zu der Anzahl der organisch gebundenen Kohlenstoffatome liefern, wohingegen für anorganische Komponenten keine Sensitivität bestehen sollte. Tatsächlich treten aber substanzabhängig Abweichungen von dem theoretischen Wert auf, die je nach Substanz unterschiedlich (wenige % bis zu mehr als 90 %) sein können.
Des Weiteren treten in der Praxis sogenannte Querempfindlichkeiten gegenüber anorganischen Substanzen, wie z.B. Schwefeldioxid oder auch Sauerstoff, in unterschiedlichem Umfang auf. Für eine vorgegebene Konzentration an Kohlenwasserstoffen liefert der FID also Messergebnisse, die je nach Gehalt der anorganischen Substanz variieren.
Die aus diesen Probleme der Sensitivität und der Querempfindlichkeiten resultierenden Messfehler werden versucht durch Optimierung der Detektorgeometrie, der Auswahl der Werkstoffe (z.B. Keramikdüse), der Zusammensetzung des Brenngases und durch Justage der Gasflüsse auf ein Minimum zu reduzieren. Das ist sehr aufwendig und entsprechend kostenintensiv.
Ein weiteres grundsätzliches Problem eines FID besteht darin, dass der Reaktionsbereich in der Flamme beschränkt ist, so dass die theoretisch möglichen Reaktionen nicht vollständig stattfinden und ein Messfehler entsteht. Dieser Fehler könnte durch Zugabe von Brenngas reduziert werden. Da aber in der Flamme nicht nur die kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen zur Erzeugung der C-haltigen Ionen gecrackt und gestrippt werden, sondern zu einem Teil auch Ionen aus der Brennluft erzeugt werden, die dann einen Grundionisationsstrom von einigen pA verursachen, würde sich bei Zugabe von Brenngas der Grundionisationsstrom rapide erhöhen und das eigentliche Messsignal überdecken.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten FID bereitzustellen, mit dem die vorgenannten Nachteile reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Detektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Brennerdüse mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Der erfindungsgemäße Flammen-Ionisations-Detektor (FID) weist eine Brennerdüse auf, aus der wenigstens ein Brenngas ausströmt und verbrennt. Der Brennerdüse ist ein Elektrodenpaar zur Messung eines Stromes von in der Verbrennung erzeugten Ionen zugeordnet, wobei erfindungsgemäß die Brennerdüse mehr als eine Düsenöffnung zur Bildung mehrerer Flammen aufweist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Reaktionsbereich einer Flamme eines FID sehr vereinfacht als Oberfläche einer Kugel dargestellt werden kann. Das Volumen der Kugel wird von der Brenngasmenge bestimmt. Die Brenngasmenge soll, wie eingangs erläutert nicht erhöht werden. Die im nachhinein sehr einfach erscheinende Idee des Erfinders besteht nun darin, den Reaktionsbereich, also in dem einfachen Modell die Oberfläche der Kugel, zu vergrößern, indem das Volumen der Kugel aufgeteilt wird auf Kugeln kleineren Durchmessers. Oder anders ausgedrückt, bei gleichbleibender Brenngasmenge wird eine "große" Flamme aufgeteilt wird in mehrere "kleine" Flammen. Dazu weist die Brennerdüse mehr als eine Düsenöffnung zur Bildung mehrerer Flammen auf. Wie sich in Messergebnissen an Prototypen gezeigt hat und wie weiter unten anhand von Messreihen erläutert wird, konnte dadurch sowohl die Linearität des FID als auch die Querempfindlichkeit gegenüber Störkomponenten, wie Sauerstoff, in erheblichem Umfang verbessert werden.
Wenn die Brennerdüse drei Düsenöffnungen aufweist, so dass drei im wesentlichen gleichgroße Flamen entstehen, kann gemäß dem vereinfachenden Modell die Kugeloberfläche um ca. 44% vergrößert werden, was bereits einen erheblichen Verbesserungseffekt bewirkte. Prinzipiell können noch mehr Düsenöffnungen vorgesehen sein. Allerdings wird die Handhabung, z.B. die exakte Regelung der Gasdurchflüsse, schwieriger je mehr Düsenöffnungen vorliegen, so dass drei Düsenöffnungen bevorzugt ist, die vorteilhafterweise in Form eines Dreiecks in der Brennerdüse angeordnet sind und bevorzugt einen runden Öffnungsquerschnitt aufweisen.
In einer ersten Ausführungsform weisen die Düsenöffnungen jeweils einen Durchmesser von etwa 0,2 mm auf.
In einer alternativen Ausführungsform könnten die Düsenöffnungen unterschiedlich groß sein.
Wenn die Brennerdüse austauschbar ausgebildet ist, kann der FID je nach Bedarf mit einer Brennerdüse ausgerüstet werden, die entsprechend der Anwendung und gewünschten Genauigkeit, eine entsprechende Anzahl von Düsenöffnungen aufweist.
Vorteilhafterweise bildet die Brennerdüse eine der Elektroden und die andere Elektrode ist zylindrisch ausgebildet und um die Brennerdüse herum angeordnet. Es sind jedoch auch andere Anordnungen bekannt und geeignet, beispielsweise wenn zwei Halbzylinder als Elektroden eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Flammen-Ionisations-Detektors;
2 eine Draufsicht auf den FID aus 1.
Ein in 1 dargestellter Flammen-Ionisations-Detektor (FID) 10 weist eine Brennerdüse 12 auf, aus der ein Brenngas ausströmt und verbrennt. Der Brennerdüse 12 ist ein Elektrodenpaar 14, 16 zugeordnet, wobei eine der Elektroden 16 durch die Brennerdüse 12 gebildet ist. Die andere Elektrode 14 ist zylindersymmetrisch ausgebildet und um die Brennerdüse 12 herum angeordnet. Die Brennerdüse 12 ist über eine Spannungsquelle 18 auf ein Spannungspotential legbar, so dass die in einem Verbrennungsbereich 20 gebildete Ionen, die schematisch mit + und – dargestellt sind, über eine Messelektronik 22, die mit der Elektrode 14 verbunden ist, als Ionenstrom gemessen werden.
Der Brennerdüse 12 wird über eine Zuleitung 24 ein Brenngas zugeführt, das beispielsweise Wasserstoff oder ein Wasserstoff-Helium-Gemisch sein kann. Dem Brenngas wird, bevorzugt vor der Brennerdüse, ein Probengas über eine Leitung 26 zugemischt. Das Probengas enthält die mit dem FID zu messenden Kohlenwasserstoffe.
Die Brennerdüse 12 weist an ihrem dem Verbrennungsbereich 20 zugeordneten Ende drei Düsenöffnungen 28, 30, 32 auf, die in Form eines Dreiecks in der Brennerdüse angeordnet sind und jeweils einen runden Querschnitt aufweisen. Die Düsenöffnungen haben einen Durchmesser von jeweils etwa 0,2 mm. Durch die Düsenöffnungen 28, 30, 32 strömt das Brenngas/Probengas-Gemisch aus und verbrennt im Verbrennungsbereich 20, wobei an der Brennerdüse 12 vorbei kohlenwasserstofffreie Brennluft dem Verbrennungsbereich 20 zugeführt wird. Der aus der Brennerdüse ausströmende Gasstrom und die Düsenöffnungen 28, 30, 32 sind so dimensioniert, dass im Verbrennungsbereich 20 drei Flammen 34, 36, 38 entstehen. Da die Düsenöffnungen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa gleich groß sind, sind die entsprechenden Flammen 34, 36, 38 ebenfalls in etwa gleich groß, so dass in jeder Flamme etwa ein Drittel des Brenngas/Probengases verbrannt wird.
Wie eingangs erläutert, wird durch das Vorsehen von mehreren Düsenöffnungen und damit ein Verbrennen des Gasgemisches in mehreren Flammen der Vorteil erzielt, dass die erhaltenen Messwerte wesentlich exakter sind als in einem herkömmlichen FID mit nur einer Flamme. Damit ist nicht nur die Erfüllung von bestehenden Normen und Richtlinien leichter möglich, sondern der erfindungsgemäße FID kann auch mit einer reinen Wasserstoffflamme anstatt eines Wasserstoff-Helium-Gemisches als Brenngas betrieben werden.
Zur Darstellung, welche Verbesserung mit dem erfindungsgemäßen FID möglich sind, sind im Folgenden mehrere Tabellen aufgeführt, in denen verschiedene Messreihen dargestellt sind, wobei jeweils Messreihen eines FID nach dem Stand der Technik mit nur einer Düsenöffnung den Messreihen eines erfindungsgemäßen FID mit drei Düsenöffnungen gegenübergestellt sind.
In einer ersten Versuchsreihe (Tabelle 1) wurde die Linearität gemessen, wozu der Sauerstoffgehalt in der Brennluft auf 21 % bei allen Messungen festgehalten wurde, um eine Querempfindlichkeit auszuschließen. Die Durchflussmenge an Brenngas, in diesem Fall H₂, betrug bei allen Messungen 28 ml/min.
Aus den vier Messwerten der Messreihe geht deutlich hervor, dass in den meisten der Bereiche der erfindungsgemäße FID erheblich genauere Messwerte lieferte und der prozentuale Fehler erheblich reduziert ist.
In einer zweiten Messreihe (Tabelle 2) wurde die Sauerstoff-Querempfindlichkeit gemessen, wozu eine Messreihe mit fünf Messpunkten aufgenommen wurde und die Kohlenstoffkonzentration des Probengases bei 80 ppm konstant gehalten wurde. Die Durchflussmenge Brenngas betrug bei allen Messungen wieder 28 ml/min H₂. Die Sauerstoffkonzentration wurde zwischen 0 und 21 % variiert.
Da der maximale Fehler durch den erfindungsgemäßen FID reduziert werden konnte, liegt hier eine Verbesserung der Sauerstoff-Querempfindlichkeit vor.
Noch deutlicher zeigt sich eine verbesserte Sauerstoff-Querempfindlichkeit bei einer weiteren Messreihe (Tabelle 3), die bei einer höheren Kohlenstoffkonzentration von ca. 800 ppm vorgenommen wurde.
Hier zeigt der erfindungsgemäße FID eine um ca. 30 % verbesserte Querempfindlichkeit und damit eine erheblich verbesserte Messgenauigkeit.

Claims

Flammen-Ionisations-Detektor mit einer Brennerdüse (12) aus der wenigstens ein Brenngas ausströmt und verbrennt und mit einem der Brennerdüse (12) zugeordneten Elektrodenpaar (14, 16) zur Messung eines Stromes von in der Verbrennung erzeugten Ionen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse (12) mehr als eine Düsenöffnung (28, 30, 32) zur Bildung mehrerer Flammen (34, 36, 38) aufweist.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse (12) drei oder mehr Düsenöffnungen (28, 30, 32) aufweist.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei Düsenöffnungen (28, 30, 32), die in Form eines Dreiecks in der Brennerdüse (12) angeordnet sind, vorgesehen sind.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen (28, 30, 32) einen runden Öffnungsquerschnitt aufweisen.
Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen (28, 30, 32) jeweils einen Durchmesser von etwa 0,2 mm aufweisen.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen unterschiedlich groß sind.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse (12) austauschbar ausgebildet ist.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse (12) eine der Elektroden (16) bildet.
Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Elektrode (14) zylindrisch ausgebildet und um die Brennerdüse (12) herum angeordnet ist.
Brennerdüse für einen Flammen-Ionisations-Detektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehr als eine Düsenöffnung (28, 30, 32).