DE2713623A1

DE2713623A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung des konzentrations-zeit-produktes von gasen

Info

Publication number: DE2713623A1
Application number: DE19772713623
Authority: DE
Inventors: Peter Von Dipl Ing Windau
Original assignee: Preussag AG Feuerschutz
Current assignee: Preussag AG Feuerschutz
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1977-03-28
Publication date: 1978-10-05
Also published as: DE2713623C3; DE2713623B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Konzen-
trations-Zeit-Produktes von Gasen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Uberwachung des Konzentrations-Zeit-Produktes von Gasen in einer Atmosphäre.
In der Abgasmeßtechnik sind neben der zu einem bestimmten Zeitpunkt in Atemhöhe gemessene Konzentration eines gas-, dampf- oder staubförmigen Arbeitsstoffes in der Luft eines Arbeitsraumes auch über bestimmte Zeitintervalle gemittelte Durchschnittswerte, beispielsweise die für 30-minütige Zeitintervalle festgelegten maximalen Immissionskonzentrationen, von Bedeutung. Die mittlere Konzentration über einen festgelegten Zeitraum kann durch eine zeitliche Integration der Augenblickskonzentrationen bestimmt werden. Dies führt jedoch zu Fehlern bei der Bestimmung des Konzentrations-Zeit-Produktes, wenn die Konzentrationsänderungen schneller als die Konzentrationsmessung sind und wenn wegen großer Konzentrationsschwankungen zur Bestimmung der augenblicklichen Konzentration ein Gasanalysengerät mit großem Meßbereich erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Bestimmung des Konzentrations-Zeit-Produktes ohne Integrationsfehler kontinuierlich ermöglicht, so daß bei Uberschreiten einer maximalen Dosis ein Dosisalarm gegeben werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus der zu untersuchenden Atmosphäre kontinuierlich ein Probenstrom entnommen und in ein Gefäß mit veränderlichem Volumen unter Durchmischung eingeblasen wird und die in dem Gefäß vorhandenen Gaskonzentrationen kontinuierlich bestimmt werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Mischraum des als Gassammeleinrichtung ausgebildeten Gefäßes mit veränderlichem Volumen über ein Ansaugrohr mit der zu untersuchenden Atmosphäre und über zwei Rohrleitungen mit einer von dem Mischrauminhalt durchströmten Meßkammer verbunden ist, in der eine in einer Widerstandsmeßbrücke mit Anzeigevorrichtung liegende Halbleiter-Meßzelle angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet die Möglichkeit, jederzeit die Dosis abzulesen und gegebenenfalls Dosisalarm zu geben, wobei gleichzeitig eine kontinuierliche Überwachung der Spitzenwerte der Augenblickskonzentrationen durchgeführt werden kann. Dadurch, daß die Gassammeleinrichtung immer ein Gemisch der in dem überwachten Zeitraum qesammelten Gase enthält, ergibt sich die Möglichkeit, nach einem Gasunfall bzw. einer Alarmgabe dessen Ursache retrospektiv auf einfache und schnelle Weise zu ermitteln.
Durch diese Dokumentierbarkeit der jeweils zurückliegenden Atmosphäre, beispielsweise der zurückliegenden 10-Stunden-Atmosphäre, stehen gegebenenfalls wertvolle Daten zur Verfügung, die erst wegen einer Alarmauslösung ihre volle Bedeutung erhalten.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur Uberwachung des Konzentrations-Zeit-Produktes von Gasen gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung, Fig. 2 die Empfindlichkeitsfunktion der Halbleiter-Meßzelle der Vorrichtung nach Fig. 1 in Abhängigkeit von deren Temperatur für zwei verschiedene Gase und Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhanges zwischen der Gaskonzentration in der Meßkammer der Vorrichtung nach Fig. 1 und dem Ausschlag des Anzeigeinstrumentes der Vorrichtung nach Fig. 1 Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Überwachung des Konzentrations-Zeit-Produktes strömt die auf toxische Gase oder sonstige Gase, wie Abwassergase, zu untersuchende Luft über ein Ansaugrohr 1 und eine Ansaugleitung 3 zu einer ersten Meßkammer 5 zur Bestimmung der augenblicklichen Konzentration sowie über eine Förderpumpe 7, ein Einblasrohr 9 und einen Absperrhahn 10 in eine Gassammeleinrichtung 11 zur Bestimmung der durchschnittlichen Konzentration. Die Gassammeleinrichtung 11 ist in Fig. 1 schematisch als ein Zylinder mit einem Kolben 13 dargestellt, um deren prinzipielle Funktionsweise zu veranschaulichen.
Eine blasebalgähnliche Gassammeleinrichtung mit variablem Volumen oder eine andere sackähnliche Einrichtung kann ebenfalls zum Sammeln des durch die Förderpumpe 7 eingeblasenen Cas- odr Luftstromes Verwendung finden.Zu Beginn der Dosisäberwachung kann die Gassammeleinrichtung teilweise mit einer Luft gefüllt werden, so daß schon von Anfang an die Möglichkeit gegeben ist, eine von der Spitzenwert-Überwachung unabhängige Dosisüberwachung vorzunehmen. Beim Einblasen der Gase in aie Gassammeleinrichtuny 11 bewegt sicn der Kolben 13 in Fig. 1 nach rechts, so daß sich das Volumen der Gassammeleinrichtung 11 bei konstantem Druck entsprechend der eingepumpten Gasmenge vergrößert. Das in dem durch den Kolben 13 begrenzten Mischraum 15 gesammelte Gas wird in einer zweiten Meßkammer 17 im Umlaufbetrieb kontinuierlich analysiert. Dazu ist die Meßkammer 17 über eine Saugpumpe 19 und zwei Rohrleitungen 18 und 20 mit der Gassammeleinrichtung 11 verbunden.
Die in die Meßkammern 5 und 17 gelangenden Gase werden auf ihre chemische Zusammensetzung oder auf luft- und wasserfremde Stoffe mit Hilfe zweier Halbleiter-Meßzellen untersucht, die wahlweise über in Fig. 1 nicht dargestellte elektronische oder mechanische Umschalter an einen Heiz- und Meßschaltkreis anschließbar sind. Während die in der Meßkammer 5 angeordnete Halbleiter-Meßzelle zur Untersuchung der augenblicklichen Konzentration dient, dient die in der Meßkammer 17 angeordnete Halbleiter-Meßzelle 23 zur Bestimmung des Konzentrations-Zeit-Produktes.
Die Gasanalyse beruht dabei darauf, daß sich der Widerstand der Halbleiter-Meßzelle 23 in Abhängigkeit von der Konzentration und der Art der in der Meßkammer 17 enthaltenen Gase ändert. Er hängt von der unterschiedlichen Wärmeleitung der anwesenden Gase und deren jeweiligen Partialdrücken ab und wird bei einer an der Oberfläche der Halbleiter-Meßzelle stattfindenden, konzentrations- und temperaturabhängigen Chemosorption außerdem noch von dem unterschiedlichen Verhalten der Gasmoleküle an der Oberfläche der Halbleiter-Meßzelle 23 beeinflußt. Die bei der Chemosorption an der Oberfläche der Halbleiter-Meßzelle 23 sorbierten Gasmoleküle werden mit Hilfe einer Freibrenneinrichtung wieder entfernt, so daß eine gleichbleibende Empfindlichkeit und Stabilität des Nullpunktes sowie eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer der Halbleiter-Meßzelle 23 erreicht wird. Die Freibrenneinrichtung besteht im wesentlichn aus einem in seiner Spannung und Frequenz einstellbaren Impulsgenerator 25, dessen Ausgangsspannung an die beiden Enden der Heizwicklung der Halbleiter-Meßzelle 23 angeschlossen ist. Bei niedrigen Freibrenn-Frequenzen kann die Widerstandsmessung zur Zeit der Freibrenn-Impulse kurz selbsttätig unterbrochen werden; jedoch ist dies bei hohen Frequenzen nicht notwendig.
Die Widerstände der Halbleiter-Meßzelle 23 und der in der Meßkammer 5 angeordneten Halbleiter-Meßzelle werden mit Hilfe einer Wheatstone'schen Brückenschaltung 27 bestimmt, wobei der Nullpunkt der abgleichbaren Meßbrücke 27 und der die die jeweilige Halbleiter-Meßzelle aufheizende Strom einstellbar sind. Der Ausgang der Meßbrücke 27 ist an einen Verstärker 29 angeschlossen, dessen Verstärkungsgrad ebenfalls einstellbar ist, so daß die Empfindlichkeit der Gasanalyse den jeweiligen Verhältnissen anpaßbar ist. Mit dem Ausgang des Verstärkers 29 sind ein Alarmgeber 33 und ein Anzeigeinstrument 31 verbunden.
Das Anzeigeinstrument 31 zeigt die jeweilige in der Meßkammer 17 oder 5 vorhandene Gaskonzentration an, die ein unmittelbares Maß für die mittlere Konzentration oder die augenblickliche Konzentration der durch das Ansaugrohr 1 angesaugten Gasmenge ist. Mit Hilfe einstellbarer Schwellenwertschalter des Alarmgebers 33 können beim Überschreiten einer kritischen Grenze ein Alarm sowie weitere Maßnahmen ausgelöst werden.
Wegen der Einstellbarkeit der Temperatur der Halbleiter-Meßzellen durch Verändern der Heiz- und Meßströme, kann der Arbeitspunkt der Halbleiter-Meßzellen den jeweils zu messenden Gasen optimal angepaßt werden, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit und Selektivität bei der Messung zu erhalten.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Empfindlichkeit oder der relativen Widerstandsänderung pro Konzentrationseinheit der Halbleiter-Meßzelle 23 von deren Temperatur für zwei Gase A und B. Dem Kurvenverlauf kann unmittelbar entnommen werden, daß für die Temperatur T2 für beide Gase A und B eine gleiche mittlere Empfindlichkeit erhalten wird und beide Gase den Widerstand der Halbleiter-Meßzelle 23 in der gleichen Weise beeinflussen. Bei den Tepmeraturen T1 und T3 ist jedoch eine gewisse Selektivität vorhanden. Bei der Temperatur T1 ist die Einwirkung des Gases A auf den Widerstand der Meßzelle 23 größer als die Einwirkung des Gases B während bei der Temperatur T3 die Chemosorption an der Halbleiter-Meßzelle 23 zu einer besonders ausgeprägten Empfindlichkeit für das Gas B führt, wobei die Halbleiter-Meßzelle 23 jedoch für das Gas A eine gewisse Querempfindlichkeit beibehält.
Die Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der in der Meßkammer 17 vorhandenen Gaskonzentration und dem Ausschlag des Anzeigeinstrumentes 31, wobei die beiden dargestellten Kurven für die Gase A und B jeweils in Abwesenheit des zweiten Gases gelten. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann der Verlauf der beiden in Fig. 3 dargestellten Funktionen durch Veränderung der Temperatur der Halbleiter-Meßzelle 23 verändert werden, so daß einem bestimmten Skalenwert des Meßinstrumentes 31 ein Schwellenwert zugeordnet werden kann, der der höchstzulässigen Konzentration der Gase A und B entspricht.
Dadurch, daß in dem Einblasrohr 9 der Absperrhahn 10 vorgesehen ist, kann bei Auslösung eines Dosisalarmes die in der Gassammeleinrichtung 11 vorhandene Luft- und Gasmenge eingeschlossen werden und über ein Ventil 16 für eine genauere Analyse mittels herkömmlicher Methoden entnommen werden. Gegenüber der Verwendung von Dauerröhrchen besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur den Vorteil der höheren Genauigkeit und Zuverlässigkeit, sondern es ist gleitigzeitig eine Spitzenwertüberwachung mit Alarm und eine Dosis überwachung mit Alarm sowie eine retrospektive Dokumentierung und Analyse möglich. Durch den Wegfall eines an einem Gasanalysegerät angeschlossenen Schreibers wird der Aufwand zur Dosisbestimmung wesentlich erniedrigt und die Gefahr von Integrationsfehlern vermieden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Halbleiter-I4eßzelle 23 unmittelbar in dein Mischraum 15 der Gassammeleinrichtung 11 anzuordnen, so daß sie dort durch freie Konvektion bzw. Diffusion mit Meßgas versorgt wird, wobei die zusätzliche Pumpe 19 nicht mehr benötigt wird.
Bei einem anderen, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsheispiel, ist die Gassammeleinrichtung 11 als Kunststoffbeutel mit Septum ausgebildet, so daß sich in besonders vorteilhafter Weise jederzeit mittels einer Injektionsspritze Gasprobeii entnehmen lassen, ohne daß die einfache und platzsparend Arciiivierbarkeit beeinträchtigt wird.
- Patentansprüche - L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Uberwachung des Konzentrations-Zeit-Produktes von Gasen in einer Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß aus der zu untersuchenden Atmosphäre kontinuierlich ein Probenstrom entnommen und in ein Gefäß mit veränderlichem Volumen unter Durchmischung eingeblasen wird und die in dem Gefäß vorhandenen Gaskonzentrationen kontinuierlich bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem in dem Gefäß enthaltenen Gasgemisch im Umlaufbetrieb eine Halbleiter-Meßzelle umspült wird, deren Widerstand bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Halbleiter-Meßzelle entsprechend den zu untersuchenden Bestandteilen der in dem Gefäß vorhandenen Gaskonzentrationen eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Halbleiter-Meßzelle chemosorbierten Gasbestandteile durch Beheizen der Halbleiter-Meßzelle desorbiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bestimmung der Gaskonzentrationen aus dem Gefäß entnommene Gasmenge nach dem Umspülen der Halbleiter-Meßzelle ins Freie geleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch yekennzeichnet, daß das Gefäß bereits vor beginn des Ubtrwachunyszzitraums mit einer definierten Menge Frischluft çiüllt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mischraum (15) ues als Gassanuneleinrichtung (11) ausgebildeten Gefäßes mit veränderlichem Volumen über ein Ansaugrohr (1) mit der zu untersuchenden Atmosphäre und über zwei Rohrleitungen (18, 20) mit einer von dem Mischrauminhalt durchströmten Meßkammer (17) verbunden ist, in der eine in einer WiderstandsmeB-brücke (27) mit Anzeigevorrichtung (31, 33) liegende Halbleiter-Meßzelle (23) angeordnet ist.
b. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugrohr (1) über eine Ansaugleitung (3) unmittelbar mit einer weiteren Meßkammer (5) des Gasanalysengerätes verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (17) im Umlaufbetrieb über zwei Rohrleitungen (18, 20) und eine Pumpe (19) an den Mischraum (15) der Gassammeleinrichtung (11) angeschlossen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugrohr (1) über eine Förderpumpe (7) und einen Absperrhahn (10) mit dem Mischraum (15) der Gassammeleinrichtung (11) in Verbindung steht.
11.Vorrichtung nach Anspruch10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassammeleinrichtung (11) ein Ventil (16) aufweist, über das Gasproben aus dem Mischraum (15) der Gassammeleinrichtung (11) entnehmbar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Halbleiter-Meßzelle (23) entsprechend den zu untersuchenden Gasen einstellbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ilaibleiter-Meßzelie (23) an eine einen einstellbaren Heizstrom liefernde Freibrenneinrichtung (25) angeschlossen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsmeßbrücke (27) an ein Anzeigeinstrument (31) und einen Alarmgeber (33) angeschlossen ist.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mischraum (15) des als Gassammeleinrichtung (11) ausgebildeten Gefäßes mit veränderlichem Volumen über ein Ansaugrohr (1) mit der zu untersuchenden Atmosphäre verbunden ist und eine mit einer Anzeigevorrichtung (31 , 33) verbundene Iialbieiter-Meßzelle (23) enthält.
16. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassammeleinrichtung als gasdichter Kunststoffbeutel (11) mit Septum (16) ausgebildetist.