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Flammenionisationsdetektorvorrichtung zur Messung des Gesamtkohlenwasserstoffgehalts
in Luft Die Erfindung betrifft die Messung des Gasamtkohlenwasseratoffgehalts in
einem sauerstoffhaltigen Gas. insbesondere in Luft, mittels eines Flammenionisationsdetektors.
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Di. Spurernessung von organischen Kohlenstoffverbindungen in der Lutt
hat neuerdings im Zusammenhang mit Tragen des Unweitschutzes erhöhte, über rein
wissenschaftliche Anwendungen hinausgehende Bedeutung erhalten. Zur Spurenmessung
von Kohlenwasserstoffverbindungen in der Luft eignet nich der aus der Gaschromatographie
her bekannte Flammenionisationsdetektor (FID) besonders gut und hat auch bereits
für diese Zwecke Anwendung gefunden. Der FID besteht prinzipiell aus einer Brennerkammer,
in welcher an einer mit Wasserstoff gespeisten Düse eine kleine Wasserstoff-Flamme
unterhalten wird. Das zu untersuchende Maßgas wird dem die Wasserstoff-Flamme speisenden
Wasserstoff beigemischt. Bei der Verbrennung organisch gebundenen Kohlenstoffes
(d.h. an Wasserstoff gebundenen Xohlenstoffe tritt in dem Detektorraum eine Ionisation
auf, die ein Maß für die Menge bzw.
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Konzentration organisch gebundenen Kohlenstoffs in der der Flamme
sugetuhrten Probe ist und in geeigneter Weise gemessen und registriert wird. Üblicherweise
weist der Detektor su diesem Zweck
Elektroden auf, die mit einer
Saug-Gleichapannung beauf@chlagt sind und mittels welcher der durch die erwähnte
verbrennungsbedingte Ionisation des Kohlenstoffs auftretende lonisationsstrom, der
direkt proportional der am Wasserstoff gebundenen Kohlenstoffmenge (Kohlenwasserstoff)
ist, gemesse und zur Anzeigt der Konzentration ausgewertet wird. Ausfuhrlichere
Beschreibungen des Wirkung@mechanismus derartiger Flammenionisationsdetektoren sind
der einschlägigen Literatur, insbesondere aus der Gaschromatographie (Kaiser) zu
entnehmen.
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Zum Unterhalt der Wasserstoff-Flamme ist Sau@pstoff erforderlich,
der üblicherweise durch im Überschuß zugeführte Luft aufgebracht wird. Nach dem
Stande der Technik erfolgt dabei die Versorgung des Detektors mit der erforderlichen
Verbrennungsluft aus Preßluftflaschen, obenso die Wasserstoffspeisung der Detektorflamme
aus Wasserstoff-Flaschen. Während jedoch der Wasserstoff-Verbrauch verhältnismäßig
gering ist und beispielsweise für eine praktische Anordnung in der Oroßenordnung
von 50 c3 pro Minute liegt, so daß bei Verwendung einer kleinen Wasserstoff-Flasche
(von beispielsweise 10 Liter Wasservolumen) die Anordnung ca. 30 Tage betrieben
werden kann, ist der Verbrennungsluftve mit 300 cm3 pro Minute wesentlich höher;
bei Verwendung einer Luttvorratsflasche gleicher Größe wUrde der Betrieb des Geräts
auf ca. 5 Tage redusiert. Um diese gerade far Zwecke von Ümweltschutzmessungen untunlich
hohe Auswechselfroquenz zu verringern, ist es Ublioh, fur den Betrieb des FID eine
Preßluftflasche von ca. 50 Liter Wasservolumen zu verwenden. Die Handhabung von
Druckflaschen dieser Größe ist im Hinblick auf ihr Gewicht und inr Volumen beim
Einsatz von Geräten für den Ümweltschutz äußerst unbequem. Sie verhindert zum Beispiel
den Betrieb in kleineren Fahrseugen (VW) oder an schwer zugänglichen Stellen (z.B.
kirchtürmen). Geräte herkömmlicher Art müssen daher in größeren Fahrzeugen (Bussen)
fest installiert werden und blockieren das Fahrzeug somit auch, wenn mit dem Gerät
keine Messungen durchgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft somit ein
Verfahren zur Messung
des Gesamtkohienwasseratoffgehalts in einem sauerstoffhaltigen Meßgas, insbesondere
in Luft, mittels eines Flammenionisation@detektors, bei welchem eine mit Wasserstoff
und dem zu unter@uchenden Meßgas gespeiste Wasserstoff-Fla@@e durch einen ge@ondert
zugeführten sauerstoffhaltigen Gasstrom, insbesondere Verbrennungsluftstrom, unterhalten
und die durch die Verbrennung bewirkte Ionisation des organisch gebundenen Kohlenstoffs
zur Anzeige dez Gesamtkohienwasserstoffgehalts in dem Meßgas gemessen wird.
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Durch die Erfindung sollen die geschilderten Nachteile der bisher
hierftir verwendeten FID-Vorrichtungen vermieden werden, welche' sich aus der Notwendigkeit
ergaben, für die gesonderte Brennluftzufuhr einen besonderen größeren Luftvorrat
in Form größerer Pre@luftfiaschen vorzuschen.
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Erfindungsgemäß lassen nich die damit verbundenen Nachteile und Unzutgräglichkeiten
in einfacher Weise dadurch vermeiden, daß der gesondert zugeführte Verbrennungsluftstrom
aus der Meßluft entnommen, insbesondere aus dem Meßluftstrom abgezweigt wird.
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Die Erfindung betrifft auch die Flammenionisationsdetektorvorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrenz, sowie ein Betriebsverfahren rar eine derartig
Flammenionisationsdetektorvorrichtung.
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Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis. daß bei isation@
Flammenion/dektormessungen an Luft zur Bestimmung von deren Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoffen
die au analysierende Lurt gleichzeitig zum Ünterhalt der Wasserstoff-Flamme mit
herangesogen werden kann, ohne daß hierdurch eine die Messung störende Beeinflussung
auftritt.
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Eingehende Messungen haben das tiberraschende Ergebnis bestätigt,
daß bei der erfindungsgemäß ausgebi@eten FID-Vorrichtung in dem bei der Luftüberwachung
auftretenden Konsentrationbereich keine störende Beeinflussung des Analysenresultates
durch die gleichzeitige Verwendung der Meßluft als Hrennluft verursacht wird.
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Indem erfindungsgemäß auf einen gesonderten Druckluftvorrat zur Brennluftversorgung
des FID verzichtet werden kann, ergibt sich gegenüber den bekannten Anordnungen
eine erhebliche Gewichts-und Raumersparnis und damit eine höhere Mobilität und ein
erweiterter, insbesondere den Bedingungen von Umweltschutzmessungen angepaßter Einsatzbereich.
Die Wartungsabstände lassen sich, angesichts des gegentiber dem Brennluftbedarf
wesentlich geringeren Wasserstoffbedarfs, der nach wie vor aus einem Druckvorratsbehälter
entnommen werden muß, ganz erheblich veriängern.
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Xn Verbindung mit einer netzunabhängigen Auslegung des Geräts wird
dadurCh eine Anwendungsfreundlichkeit erzielt, welche den Anwendungsbereich erheblich
erweitert.
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Zur Erzielung auswertbarer und reproduzierbarer Neß- und Anseigowerte
@üssen die rAr den Betrieb der FID-Vorrichtung benötigten @ase mit konstanter Zufuhrgeschwindigkeit
zugeführt werden.
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Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung ist in diesem Zusammenhang
vorgesehen, daß der Verbrennungsluftstrom aus der Meßluftzufuhrleitung an einer
auf konstante Zufuhrgeschwindigkeit geregelten Stelle, insbesondere einer stromabwärts
einer Durchsatzregelvorrichtung gelegenen Stelle abgezweigt wird.
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Durch diese zweckmäßige Ausgestaltung kann ein und dieselbe Durchsatzregelvorrichtung,
bzw. ein Teil dieser Durchsatzregelvorrichtung sowohl für die Meßlurt- wie rar die
gesonderte Verbrennungsluftzufuhrleitung ausgenutzt werden. Zweckmäßig kann vorgesehen
sein, daß die Meßluftzuleitung und die gesonderte Verbrennungsluftzuleitung Uber
eine Pumpe mit einem gemeinsamen Luftansaugstutzen mit Filter verbunden sind.
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Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen kann vorgesehen sein,
daß die Brennerkammer in ihrem obcren Teil in Abständen voneinander gegenUberstehend
zwei ebene Plattenelektroden und unterhalb dieser in bezüglich der Platten symmetrischer
Anordnung die Brennerdüse aufweist und daß in räumlicher Zuordnung zu der
BrennerdUse
und der Eintrittsstelle der Verbrennungs luft zufuhrleitung eine Verteilerplatte
zur gleichmäßigen Verteilung der gesondert zugeführten Verbrennungsluft vorgesehen
ist. Diese Anordnung mit oberhalb der Brennerdtise symmetrisch angeordneten ebenen
Platten-Elektroden gewährleistet einen richtungs- und polarisationsspannungsunabhängigen
Fluß der bei der Verbrennung entstehenden Ionen und trägt, insbesondere in Verbindung
mit der erwähnten Verteilerplatte, zu einer einwandfreien reproduzierbaren Wirkungsweise
des Geräts chne Beeinträchtigung der Meßergebnisse als Polge der Verwendung der
Meßluft als Verbrennungsluft bei.
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Durch entsprechende Auslegung des Gerätes laßt sich die elektrische
Leistungsaufnahme derart re /duzieren, daß das Gerät netzunabhängig aus eingebauten
Kleinakkumulatoren betrieben werden kann, wodurch sich der Einsatzbereich, in Verbindung
mit dem geringen Gewicht und den geringen Abmessungen, wesentlich erweitert, da
nunmehr auch Messungen an Meßorten durchgeführt werden können, an denen elektrische
Energiequellen nicht zur Verfügung stehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin,
das Gerät im Pufferbetrieb aus den Netz zu betreiben, wobei bei Netzausfall dann
die eingebauten Akkus die Stromversorgung des Geräts übernehmen und eine lückenlose
Meßwerterfassung sicherstellen, ns gerade fur Zwecke der Umweltschutzmessungen von
erheblicher Bedeutung ist.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung erläutert; in dieser zeigen Fig. 1 in schematischer Darstellung eine bekannte
Flammenionisationsdetektorvorrichtung nach dem Stande der Technik in Ausbildung
zur Messung des Gesamtkohlenwasserstoffgehalts von Luft Fig. 2 in entsprechender
schematischer Darstellung eine Flammenionisationsdetektorvorrichtung gemäß der Erfindung
zur Messung des Gesamtkohlenvasserstoffgehalts in der Luft Zunächst soll anhand
von Fig. 1 der prinzipielle Aufbau eines Flammenionisationsdetektors und seine Wirkungsweise
bei der an sich bekannten Verwendung zur Messung des Gesamtgehaits von Luft an organisch
gebundenem Kohlenstoff, etwa fUr Zwecke des Ümweltschutzes, kurz erläutert werden.
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Der Flammenionisationsdetektor besteht im wesentlichen aus einer Brennerkammer
1 mit zwei isoliert eingesetzten Elektroden, von welchen die eine Elektrode (2)
mit einem Meß- und Anzeigeteil verbunden ist, der schematisch durch einen Verstärker
4 mit nachfolgendem Anzeigeinstrument 5 angedeutet ist; die andere Elektrode 3 ist
an eine Saugspannungsquelle 6 angeschlossen.
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Im Unterteil des Brennergehäuses 1 ist eine vorzugsweise aus einem
tenperaturbogtindisen elektrisch isolierenden Material hergestellte Brennerdflse
7 mit Verteilerscheibe 8 angeordnet.
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Die Brennerdüse 7 wird aber eine Düsenspeiseleitung 9 mit dem als
Brenngas dienenden Wasserstoff gespeist, welchem das zu untersuchende Meßgas (in
diesem Falle: Luft, beispielsweise Umgsbungsluft, mit Spuren organischer Kohlenwasserstoffe,
deren Konzentration bestimmt werden soll) beigemischt ist. Über eine Brennluftsuruhrleitung
10 wird der Brennerkammer bzw. der in ihr angeordneten
Duse der
zum Unterhalt einer Wasserstoff-Flamme erforderliche Sauerstoff in Form (nachgereinigter)
Brennluft zugetUhrt. Durch die Platte 8 wird die von unten zugeführte Brennluft
gleichmäßig verteilt.
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Die Dusenspeiseleitung 9 wird Aber eine Wesserstoffzufuhrleitung 11
aus einer Vorratsflasche 12 mit dem als Brenngas dienenden Wasserstoff beaufschlagt.
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Gleichzeitig mit dem Wasserstoff wird der Dascrnspeisenleitung 9 Aber
die Meßgasleitung 13 das auf seinen Gehalt an organisch gebundenes Kohlenstoff zu
untersuchende Meßgas in Zumischung zu dem über die Wasse@@toffleitung 11 zugeführten
Brenngas zugeleitet. Im vorliegenden Fall der Messung von Kohlenwasserstoffen in
Lurt, beispielsweise Ümgebungsluft, wird diese über einen mit Filtern versehenen
Ansaugstutzen 14 mittels einer Pumpe 15 angesaugt und der Meßgasleitung 13 zugeführt.
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Die Brennluftzufuhr zu der Brennerkammer erfolgt Aber die Luftzufuhrleitung
10 aus einer Luftflasche 16, welche (vorzugsweise gereinigte) Luft enthält.
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Zur Erzielung auswertbarer und reproduzierbarer Meßanzeigen müssen
die zum Betrieb erforderlichen Mengen der verschiedenen zugeführten Gase (Wasserstoff-Brenngas;
Meßgas; Verbrennungsluft) in konstanter Menge zugeführt werden. Dies wird in einfacher
Weise durch Einhalten eines konstanten Drucks an einem konstanten Strömungswiderstand
in den entsprechenden Zufuhrleitungen erreicht.
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Im einzelnen ist in der Brennlurtsuruhrleitung 10 ein Strömungswiderstand
17 in Reihe mit einem Druckregler 18, in der Wasserstoffzufuhrleitung 11 ein Strömungswiderstand
19 in Reihe mit einem flruckregler 20, und in der Meßgaszufuhrleitung 13 ein Strömungswiderstand
21 mit einem Druckregler 22 vorgesehen.
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Der Druckregler 22 rar die Meßgasleitung 13 ist dabei als Bypaßregler
mit Auslaß 23 ausgebildet. Zusammen mit dem Strömungswiderstand 21 gewährleistet
der Rückdruckregler 22 eine Konstanthaltung
der Probenmenge pro
Zeiteinheit; die von der Pumpe 15 suviel geförderte Probe fließt dabei über den
Ruckdruckregler 22 durch den Bypass 23 ab. Dadurch wird eine wesent@che Verringerung
der Geräte-Totzeit erreicht. Unter Geräte-Totzeit ist diejenige Zeit su verstehen,
die vergeht, bis nach Zuruhr eines Testgemischs im Ansaugstutzen 14 eine auswertbare
Anzeige am Instrument 5 auftritt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist wie folgt: Bei gerundeter Wasserstoff-Flamme
an der Duse r entsteht im Brennergehäuse 1 zwischen den Elektroden 2 und 3 eine
gewisse Grundionisation, die einen Grund strom hervorruft, der durch geeignete elektrische
Schaltmittel im Verstärker 4 kompensiert wird. Enthält das fiber die Meßgasleitung
13 dem Brenngas zugemischte und gemeinsam mit diesem der Düseneintrittsleitung 9
zugeführte Meßgas Kohlenwasserstoffe, so tritt bei der Verbrennung des organisch
gebundenen Kohlenstoffs in der Brennerflamme im Detektorraum eine Ionisation auf,
die als Ionisationsstrom zwischen den mit der Saugspannung 6 beaufschlagten Elektroden
2, 3 meßbar ist, wobei der Ionisationsstrom direkt proportional der Konzentration
des an Wasserstoff gebundenen Kohlenstoffs, und damit der Kohlenwasserstoffe, in
dem Meßgas ist.
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Derartige aus der Gaschromatographie geläufige Anordnungen haben,
wie eingangs erwähnt, neuerdings im Zusammenhang mit Ümweltschutzproblemen zur Bestimmung
des Kohlenwasserstoffgehalts in der Luft zusätzliche Bedeutung erhalten. Wie aus
der vorstehend beschriebenen Figur 1 ersichtlich, ist nach dem Stande der Technik
bei derartigen Anordnungen eine gesonderte Brennluftversorgung aus einer Preßluftflasche
(16 in Fig. 1) erforderlich. Dies hat die eingangs geschilderten Nachteile (hohes
Gewicht, hoher Raumbedarf, häufiger Flaschenwechsel), wodurch insgesamt die Anwendung.-freundlichkeit
der Gesamtanordnung beeinträchtigt wird.
Erfindungsgemäß wird bei
einer Anordnung der vorstehend beschriebenen Art ein gesonderter Druckluftvorrat
zur Brennluftzufuhr entbehrlich. Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Flammenionisationsdetektorvorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt; dabei sind gleiche
bzw. einander entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet.
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Wie ersichtlich ist bei der erfindungsgemäßen Ausbildung die Brennluftzufhrleitung
10' nicht mit einer gesonderten Druckluftflasche (16, Fig. 1) verbunden, sondern,
über einen Strömungswiderstand 17', bei 24 von der Meßgaszuleitung 13 abgezweigt,
welche über den Ansaugstutzen 14, die Pumpe 15 und den Regler 22 mit einem konstanten
Luftstrom beaufschlagt wird. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die tur die
Aufrechterhatung der Brennerflamme erforderliche Verbrennungsluft aus dem gleichzeitig
auf seinen Kohlenwasserstoffgehalt zu analysierenden, als Meßgas zugeführten Luftstrom
antnommen und dem Brennergehäuse 1 zugeführt.
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Indem zweckmäßig die Brennluft zufuhrleitung 10' an einer stromabwärts
des Druckreglers 22 gelegenen Stelle 24 von der Meßgaszuleitung 13 abgezweigt ist,
kann ein und derselbe Druckregler 22,23 für die Meßgaszuleitung 13 und die Brennluftzufuhrleitung
10' verwendet werden, in Verbindung mit den entsprechenden Drosselstrecken 21 bzw.
17'.
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Gleichzeitig kann durch entsprechende Auslegung des Geräts die elektrische
Leistungsauftanme derart reduziert werden, daß ein netzunabhängiger Betrieb aus
eingebauten Kleinakkumulatoren ermöglicht wird. Hierdurch wird in Verbindung mit
der Er-Abrigung der schweren und sperrigen Druckluftflasche der Einlatzbereich des
Gerätes zusätzlich erweitert, da nunmehr auch Messungen an Meßorten durchgefahrt
werden können, an denen elektrische Energiequellen nicht sur Verfügung stehen. Schließlich
kann das erfindungsge,mäße Gerät im Pufferbetrieb aus dem Netz betrieben werden,
derart, daß bei Ausfall der Netsspannung die eingebauten Akkus die Stronversorgung
des Geräts
übernehmen und eine lückenlcse Meßwerterfassung sicherstellen,
-waß für viele Anwendungszwecke, insbesondere auch im Ümweltschutz, wesentlich ist.
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Die an sich bekannte Ausbildung der Brennerkammer 1 mit zwei im oberen
Teii in Abstand voneinander gegenüberstehend angeordneten ebenen Plattenelektroden
2,3 und mit einer im unteren Teil der Brennerkammer zentrisch angeordneten Duse
7, ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft; durch diesen
symnetrischen Aufbau der ebenen Elektroden wird ein richtungs- und polarisationsspannungsunabhängiger
Fluß der bei der Verbrennung entstehenden Ionen im Brennergehäuse 1 erreicht. Hierdurch
dürfte dies. Anordnung mit ebenen Elektroden spesiell für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung, bei welcher die zur Messung angesaugte Luft gleichseitig zum Unterhalt
der Flamme herangezogen wird, gegenüber bekahnten Ausführungen von FID-Brennerkammern
mit konzentrisch angeordneten zylindrischen Elektroden vorzuziehen sein.
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Die Erfindung wurde vorstehend speziell für den Fall der Messung von
Kohlenwasserstoffkonzentrationen in Luft insbesondere rar Ünweltschutzüberwachungen
erläutert. Die Krfindung ist jedoch selbstverständlich nicht auf Garäte für Ümweltschutzmesaungen
beschränkt, sondern beispielsweise für gaschromatographische Anwendungen geeignet,
bei denen Lutt als Meßgas auftritt.
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Darüber hinaus ist die Erfindung grendsätzlich auch nicht auf Luft
als Meßgas beschränkt, sondern darüber hinaus in Fällen anwendbar, wo das Meßgas
ein sauerstoffhaltiges Trägergas, das zur Aufrechterhaltung der Wasserstoff-Flamme
in dem Flammenionisattonsdetektor dienen kann, enthält.
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Patentansprüche: