DE2932436C2 - Massenstromabhängiger Gasanalysator mit Durchflußregelung im Unterdruckbetrieb - Google Patents
Massenstromabhängiger Gasanalysator mit Durchflußregelung im UnterdruckbetriebInfo
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Description
dadurch gekennzeichnet, daß dein gemeinsanre«
Gaseintritt (12, 13) in die erste (2) und zweite Drossel (11) eine dritte Drossel (!) vorgeschaltet
ist und an der gemeinsamen Verbindungsstelle der drei Drosseln (1, 2, 11) ein weiterer
Unterdruckregler (14) angeschlossen ist, über dessen Eingang Luft unter Atniosphärendruck angesaugt
wird und der durch Verändern dieser Luftmenge den an seinem Ausgang herrschenden Druck pi als
Differenz gegen den Atmosphärendruck po konstant hält, und daß der Druck pi deutlich über dem
Unterdruck /T3 am Detektorausgang und unter dem
niedrigsten Pruckpj des Meßgases liegt.
2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Beipaß fließende
Luftstrom nur über die Förder.'»istung der Saugvorrichtung
einstellbar ist
3. Gasanalysator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Drosseln so
bemessen sind, daß der durch den am gemeinsamen Verzweigungspunkt dieser Drosseln angeordneten
Unterdruckregler eingesaugte Luftstrom Fa etwa
gleich dem gesamten Meßgasstrom F\ bei einem mittleren Druck p\ des Meßgases ist.
4. Gasanalysator nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung der
Saugvorrichtung so eingestellt ist, daß der durch den am Detektorausgang befindlichen Unterdruckregler
angesaugte Luftstrom F1, etwa gleich der Summe der
Massenströme im Detektorausgang (Fs) und Beipaß
CFfl)ist. 50 a)
Bei dieser Anordnung wird der massenstromabhängige Detektor im Unterdruck betrieben, weil das Meßgas
nicht unter hinreichendem Oberdruck ansteht und weil keine geeigneten temperatur- oder korrosionsfesten
Pumpen vor dem Analysator eingesetzt werden können. Außerdem muß der Detektor mit einem oder mehreren
weiteren Gasströmen beschickt werden können, weil dies für seine Funktion unerläßlich ist Ein konstanter
Massensixom des Meßgases ist in dieser Anordnung jedoch nur gewährleistet, wenn der Druck des
Meßgases an ihrem Eingang konstant ist.
Kontinuierliche Flammenionisationsdetektoren (FID) und die auf einem ähnlichen Effekt beruhenden
thermionischen Detektoren liefern ein massenstromproportionales MeßsignaL Aus diesem Grund muß ein
konstanter Meßgasmassenstrom in den Detektor eindosiert werden. Üblicherweise wird die Meßgasdosierung
so gelöst, daß das Meßgas durch eine Pumpe vor dem Detektor auf einen Druck verdichtet wird, der
durch eine Druckregeleinrichtung auf einen konstanten Überdruck gegen den Atmosphärendruck geregelt und
über ein festes Drosselorgan an den Eingang des bei Atmosphärendruck betriebenen Detektors angeschlossen
wird. Dabei stellt sich wegen des konstanten Differenzdrucks an dem Drosselorgan ein konstanter
Meßgasstrom ein. Diese Massenstromregelung vor dem Detektor hat den Vorteil, daß sie durch die Zugabe von
weiteren GasstrÖK^n in den Detektor (die für dessen
Funktion notwendig sind, z. B. Brenngas und Brennerluft beim FID), nicht beeinflußt wird. Als Pumpe können
alle das Meßgas in seiner Zusammensetzung nicht verändernden Gasverdichter eingesetzt werden. In der
Regel werden Pumpen mit mechanisch bewegten Teilen, wie z. B. Membranpumpen, verwendet. Als
Druckregeleinrichtung werden üblicherweise Überströmregler (back pressure-Regler) eingesetzt, die in
einer Beipaßleitung mittels einer veränderlichen Drossel einen variablen Teilstrom des Meßgases gegen die
Atmosphäre abströmen lassen. Als Drosselorgan im Eintritt zum Detektor können Na.«e'ventile, Kapillaren
oder Düsen verwendet werden. Die geschilderte Art der Meßgasdosierung hat sich als biauchbar erwiesen bei
kontinuierlichen FID-Geräten im Immissionsbereich, bei denen das Meßgas als relativ saubere Luft vorliegt.
Bei den Anwendungen im Emissionsbereich hat diese Art der Eindosierung erhebliche Nachteile, die bei den
hohen Beladungen der Meßgase durch folgende Umstände begründet sind:
b)
Die Erfindung geht aus von einem kontinuierlich arbeitenden Gasanalysator bestehend aus:
a) einem massenstromabhängigen Detektor;
b) einer Saugvorrichtung am Detektorausgang;
c) einem am Detektorausgang angeschlossenen Unterdruckregler,
der den durch die Saugvorrichtung erzeugten Unterdruck am Detektorausgang gegenüber
dem Atmosphärendruck konstant hält;
d) einer ersten Drossel, die dem Detektor in der Meßgasleitung vorgeschaltet ist und
e) einer zweiten Drossel, die der Reihenschaltung von erster Drossel und Detektor als Beipaß parallel
geschaltet ist.
Der Taupunkt des Meßgases kann erheblich über der Umgebungstemperatur liegen.
Das Meßgas kann stark korrosiv wirken.
Das Meßgas kann stark korrosiv wirken.
Aus diesen Gründen hat es sich bei EmissionsmeBgeräten als notwendig erwiesen, alle mit dem Meßgas in
Berührung kommenden Bauteile auf Temperaturen von 150 bis 2000C zu beheizen. Die Beheizung des
Meßgassystems auf solch hohe Temperaturen hat jedoch den Nachteil, daß die Lebensdauer einiger
Bauteile, wie Pumpen oder Druckregler, drastisch reduziert wird und somit nicht mehr akzeptabel ist.
Abhilfe konnte durch einen Detektor geschaffen werden, der im Saugbetrieb in Verbindung mit einer
Unterdruckregelung arbeitet. Eine nach diesem Prinzip aufgebaute Apparatur ist z. B. in dem Artikel von
H.Fischer et al. in GIT März 1974. S. 214-219 beschrieben. Die Unterdruckregelung geschieht hier
durch einen Differenzdruckregler, der die Druckdiffe-
renz am Detektorausgang gegen den Atmosphärendruck konstant hält. Die Einstellung der dem Detektor
zugeführten Meßgasmenge und damit die Anpassung der Meßempfindlichkeit an die jeweilige Problemlösung
erfolgt durch eine dem Detektor vorgeschaltete Kapillare- Eine den Detektor überbrückende Beipaßleitung,
die vor der Kapillare (in Strömungsrichtung gesehen) einmündet und die eine weitere Kapillare
enthält, dient dem besseren Zeitverhalten der Anordnung. Am Ausgang des Detektors befindet sich ein
Ausgleichsbehälter, an den einerseits die Absaugvorrichtung und andererseits der Differenzdruckregler
angeschlossen ist
Der Nachteil dieser Apparatur besteht darin, daß sie grundsätzlich nicht für einpji schwankenden Meßgasdruck
geeignet ist. Durch die Unterdruckregelung wird
lediglich die Druckdifferenz zwischen Außenluft und Ausgleichsbehälter konstant gehalten. Druckschwankungen
im Meßgas und die sich daraus ergebende Änderung des Massenstromes der Meßkomponente
lassen sich jedoch nicht eliminieren und führen zu einem systematischen Fehler in der Anzeige. Gleiches gilt für
Änderungen des Strömungswiderstandes zwischen Eingang und Detektor (z. B. durch Verschmutzen eines
Eingangsfilters).
Eine andere Art der Unterdruckregelung in Verbindung mit einem massenstromabhängigen Gasanalysengerät
ist in der DE-AS 22 44 719 beschrieben. Die Probe wird hier mittels einer im Strömungsweg hinter dem
Gasanalysator angeordntien Pumpe über zwei in Serie geschaltete Drosseln in den Gasanalysator gesaugt
Zwischen den beiden Drosseln mündet eine Abzweigleitung ein, die mit einem Druckregler und einer weiteren
Pumpe in Verbindung steht. Ober den Druckregler kann von der zweiten Pumpe Luft angesaugt werden. Mit
dieser Regelung wird erreicht daß der Druck zwischen den beiden Drosseln im wesentlichen konstant ist, so
daß ein annähernd konstanter Massenstrom durch den Gasanalysator erzielt wird. Dies gilt jedoch nur dann,
wenn im Gasanalysengerät (Kammer 12) konstante Druckbedingurgen herrschen. Wird dagegen auf die
ebenfalls beschriebene Ausführungsform zurückgegriffen, bei der der Druck im Gasanalysengerät schwanken
darf, so tritt der Nachteil auf, daß die Referenzkammer des Druckreglers mit dem korrosiven Meßgas in *5
Berührung kommt Außerdem besteht der prinzipielle Nachteil, daß mit zwei Pumpen gearbeitet werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem massenstromabhängigen Gasanalysator, der im Saugbetrieb
nach dem Prinzip der eingangs beschriebenen so Unterdruckregelung arbeit, bei schwankendem Meßgasdruck
and veränderlichem Strömungswiderstand im Eingangsteil die Proportionalität des Meßsignals zur
Konzentration der Meßkomponente zu gewährleisten. Zu diesem Zweck muß der Massenstrom des Meßgases
durch den Detektor konstant gehalten werden. Der Massenstrom bleibt aber nur dann konstant, wenn
zugleich der Absolutdruck im Detektor und der Volumenstrom des Meßgases durch den Detektor
konstant gehalten werden. Unter Inkaufnahme der w bekannten Abhängigkeit von den Schwankungen des
barometrischen Druckes genügt es, wenn anstelle des Absolutdruckes der Unterdruck im Detektor gegenüber
dem Atmosphärendruck konstant gehalten wird.
Da solche Analyseneinrichtungen meistens im Dauerbetrieb gefahren werden, wird außerdem eine hohe
Lebensdauer und weitgehende Wartungsfreiheit gefor-
1(1
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25
30
35
40 Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Gasanalysator
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem gemeinsamen Gaseintritt in die erste
und zweite Drossel eine dritte Drossel vorgeschaltet ist und an der gemeinsamen Verbindungsstelle der drei
Drosseln ein weiterer Unterdruckregler angeschlossen ist, über dessen Eingang Luft unter Atmosphärendruck
angesaugt wird und der durch Verändern dieser Luftmenge den an seinem Ausgang herrschenden Druck
pi als Differenz gegen den Atniosphärendruck po
konstant hält und daß der Druck pt deutlich über dem Unterdruck P3 am Detektorausgang und unter dem
niedrigsten Druck pt des Meßgases liegt
Um eine Rückwirkung von Verschmutzungen auf die Unterdruckregelung zu vermeiden, wird der durch den
Beipaß fließende Luftstrom nicht durch ein veränderliches Drosselorgan, sondern ausschließlich über die
Förderleistung der Saugvorrichtung eingestellt
Weiterhin sind die drei Drosseln vorteilhaft so bemessen, daß der durch den am gemeinsamen
Verzweigungepunkt dieser Drosseln angeordnete Unterdruckregler eingesaugte Luftstrom F4 etwa gleich
dem gesamten Meßgassirom Fi bei eüie~ mittleren
Druck px des Meßgases ist
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ferner die Förderleistung der Saugvorrichtung so
eingestellt, daß der durch den am Detektorausgang befindlichen Unterdruckregler angesaugte Luftstrom Fe
etwa gleich der Summe der Massenströme im Detektorausgang (F5) und Beipaß (Fb) ist
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß mit einfachen apparativen Mitteln ein
konstanter Probenstrom durch den Detektor erreicht wird, so daß die Proportionalität des Meßsignals zur
Konzentration der Meßkomponente auch dann erhalten bleibt, v/enn der Meßgasdruck innerhalb gewisser
Grenzen schwankt oder sich der Strömungswiderstand im Eingangsteil ändert. Weitere Vorteile sind die
vielseitige Anwendbarkeit sowie die hohe Lebensdauer und der geringe Wartungsaufwand. Dies ist v/eseetlich
dadurch bedingt, daß beide Unterdruckregler nur mit sauberer Luft, nicht aber mit verschmutztem oder
korrosivem Meßgas beströmt werden. Ferner ermöglicht das neue Meßsystem auf einfache Weise eine
explosionsgeschützte Ausführung (z. B. eines Flammenionisationsdetektors). Gegenüber Ausführungen mit
Meßgaspumpen vor dem Detektor hat die Erfindung den besonderen Vorteil eines wesentlich kleineren
Totvolumens vor dem Detektor. Dadurch erreicht man nicht nur eine günstigere Totzeit, sondern auch eine
Verringerung des Volumens aller meßgasführenden Teile, so daß sie platzsparend, ζ. B. im Detektorofen,
eingebaut werden können.
Im folgenden v/ird ein Ausführungsbeispiel der Erfindt ig anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt
F i g. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild air Erklärung
des Regelprinzips und
Fig.2 ein komplettes Blockschaltbild für einen im
Unterdruck betriebenen FID einschließlich der zugehörigen Regelvorrichtungen.
Gemäß F i g. 1 wird das zu analysierende, unter dem Eingangsdruck p\ stehende Meßgas über eine Reihenschaltung
von zwei Festdrosseln 1 und 2 in den Detektor 3 eingespeist. Dabei ist die Drossel 1 mit dem Meßgas
und die Drossel 2 mit dem Detektor 3 verbunden. Der Detektor ist z. B. ein Flammenionisationsdetektor oder
thermionischer Detektor. Der Ausgang des Detektors 3
ist mit der Saugseite eines Injektors 4 verbunden. Die
Ausgangsleitung S und damit der Detektor 3 wird auf einen deutlich unter dem Atmosphärendruck po
liegenden Druck pi gebracht, der als Unterdruck gegen
pb konstant gehalten wird. s
Po — pi — const
Dies geschieht mit Hilfe eines als Unterdruckregler wirkenden Überströmreglers 6, durch den zum Zweck
der Regelung unter Atmosphärendruck stehende Luft von außen her angesaugt wird. Detektorausgangsleitung
5, Saugstutzen 7 des Injektors 4 und der Ausgang 8 des Überstromreglers 6 sind mit einem Kreuzstück 9
verbunden, an dessen viertem Stutzen 10 eine weitere Drossel 11 angeschlossen ist, die über zwei T-Stücke 12
und 13 zu der Verbindungsleitung zwischen den beiden Drosseln 1 und 2 am Detektoreingang führt. Die
Wirkungsweise des Unterdruckreglers 6 entspricht der einer Tauchflasche, deren Tauchrohr zur Atmosphäre
offen wäre, während der Anschluß des Gasraumes mit dem Kreuzstück 9 verbunden wäre.
Am dritten Stutzen des T-Stückes 12 ist ein zweiter gleichartiger Unterdruckregler 14 angeschlossen, durch
den ebenfalls Luft unter Atmosphärendruck po über die Drossel 11 vom Injektor 4 angesaugt wird. Er regelt
damit die Verbindungsstelle 13 zwischen den in Serie geschalteten Drosseln 1 und 2 auf einen Druck pi, der als
Unterdruck gegen pe konstant gehalten wird,
po — pi = const
po — pi = const
Die Sollwerte von pj und pi werden so eingestellt, daß
Pi deutlich (etwa 100 mbar) über pj, aber auch unter dem
minimalen Wert von p\ liegt. Zur Druckmessung in den
einzelnen Zweigen sind die Manometer 15, 16 und 17 vorgesehen.
Die T-Stücke 12, 13 stellen also die gemeinsame Verbindungsstelle der drei Drosseln 1,2 und 11 dar. Die
Leitung 10 mit der Drossel U bildet einen Beipaß, der der Reihenschaltung von Detektor 3 und Drossel 2
parallel geschaltet ist. Am T-Stück 13 teilt sich der Meßgasstrom Fi in zwei Teilströme auf. Ein Teil Fw
strömt durch den Detektor, der andere Teil Fi strömt
zum T-Stück 12 und vereinigt sich dort mit dem durch den Regler 14 angesaugten Luftstrom F4. Die beiden
Teilströme F2 + Ft bilden den Beipaßstrom Fb, der sich
am Knotenpunkt 9 mit dem vom Detektor 3 kommenden Teilstrom F5. der aus dem verbrannten
Gemisch des Teilstromes Fv/, des Brenngasstromes Fa und des Brennerluftstromes Fl besteht, und dem durch
den Regler 6 angesaugten Luftstrom Ff, vereinigt. Die Summe F^ dieser Teilströme wird durch den Injektor 4
abgesaugt.
Bei der Bemessung der Drosseln 1, 2 und 11 sind folgende Gesichtspunkte zu beachten:
1. Der Strömungswiderstand der Drossel 1 wird so gewählt, daß beim niedrigsten vorkommenden
Eingangsdruck p\ die Druckdifferenz p\ — pi an
der Drossel 1 noch eine ausreichend hohe Summe von Meßgasstrom Fm und Beipaßstrom F2 erzeugt
2. Der Strömungswiderstand der Drossel 2 wird so gewählt, daß die Druckdifferenz pi — ps an der
Drossel 2 den gewünschten Meßgasstrom Fm durch
den FID 3 erzeugt. Der Strömungswiderstand des FID ist sehr viel geringer als der von Drossel 2 und
kann daher vernachlässigt werden.
3. Die Drossel 11 wird so bemessen, daß die Druckdifferenz pi — ps an der Drossel Ii einen
Beipaßstrom Fb erzeugt, dessen Menge etwa das Doppelte des Teüstromes Fi im Normalfall beträgt.
Die Differenz von Fe und F3 wird dann als
Luftstrom F4 durch den Regler 14 angesaugt.
4. Die Saugleistung von Pumpe oder Injektor 4 wird so eingestellt, daß die durch den Regler 6 angesaugte Luftmenge Fe von gleicher Größenordnung ist wie die Summe von Detektorausgangsstrom F5 und Beipaßstrom Fe.
4. Die Saugleistung von Pumpe oder Injektor 4 wird so eingestellt, daß die durch den Regler 6 angesaugte Luftmenge Fe von gleicher Größenordnung ist wie die Summe von Detektorausgangsstrom F5 und Beipaßstrom Fe.
Im Betriebszustand teilt sich der durch die Drossel 1
einfließende Meßgasstiom Fi in einen meist kleineren
Teilstrom Fm zum Detektor 3 und einen meist größeren zum Beipaß fließenden Teilstrom Fj, der sich mit dem
durch den Regler 14 angesaugten Luftstrom F* zum Beipaßstrom Fs vereinigt. Der Beipaßstrom Fb vereinigt
sich im Kreuzstück 9 mit dem Abgas F5 des Detektors 3 und dem Luftstrom F6 durch den Regler 6. Erniedrigt
sich der Meßgasdruck pu so wird p\ — Pi geringer.
Damit verringert sich der Beipaßstromanteil Fj durch die Drossel 11. Der Regler 14 sorgt nun durch Erhöhung
seiner Luftmenge F* dafür, daß Fe und damit der
Druckabfall pi — p\ an der Drossel 11 konstant bleibt.
Umgekehrt erhöht sich mit steigendem Meßgasdruck p\
auch die Differenz p, — pi. Infolgedessen wird der
Beipaßstromanteil Fj durch die Drossel 11 größer,
während sich der zugemischte Luftstrom F4 durch den
Regler 14 entsprechend vermindert. Wird F4 = 0, dann
ist damit die obere zulässige Grenze des Meßgasdrukkes pi erreicht. Die untere Grenze von p\ ist dadurch
bestirmnt, daß der Beipaßstromanteil Fi = 0 wird. In
diesem Fall würde nur noch die für den Detektor benötigte Menge Fw angesaugt und die Totzeit
entsprechend vergrößert. Bei weiterem Absinken von p, würde das Meßgas am T-Stück 13 mit LuIt aus dem
Regler 14 verdünnt werden (Verfälschung des Meßgasstromes:).
Da aus po — pi = und p>
— p.i = auch P2 — pj = folgt, sind die Bedingungen erfüllt, daß der
Unterdruck im Detektor gegenüber dem Atmosphärendruck und der Voiumcnsirom des mcSgäScs uüreti den
Detektor konstant bleiben.
Eine vollständige Unabhängigkeit vom Atmosphärendruck würde erreicht, wenn die Absolutwerte von pi
und pa durch Absolutdruckregler konstant gehalten wurden. Für die Bemessung der Drosseln und Regler
müßte dann die Schwankungsbreite des Absolutwertes von pi betrachtet werden. Dies bedeutet, daß sich zur
Schwankung p< — po die Schwankung po addiert, so daß
die von der Regeleinrichtung zu kompensierende Schwankungsbreite vonpi entsprechend größer ist.
In F i g. 2 sind zusätzlich die der Sauerstoffkompensation dienende Zuführung 19 und die Einstellorgane 21,
22,23,24 und 25 für den Verbrennungsvorgang ir- FID 3
eingezeichnet. Der Vordruck der Brennerluft (vor den Ventilen 21 und 22) sowie des Brenngases (Wasserstoff)
wird auf 1 bar geregelt.
Das Treibgas für den Injektor 4 wird ebenso wie die Brennerluft für den FID einem Instrumentenluftnetz
entnommen. Die Saugleistung des Injektors wird mit dem Druckregler 26 eingestellt. Der Instrumentenluftdruck
von 6 bar wird hier auf ca. 3 bar reduziert. Die Ausgangsleitung 5 des FID 3 steht mit einem
Puffervolumen 27 in Verbindung. Dadurdh werden Strömungsvibrationen gedämpft, die im FID ein
störendes Flackern verursachen können.
Die Drosseln 1, 2 und 11 bestehen in der Praxis aus
Edelstahlkapillaren oder Düsen. Der FID 3, sämtliche Drosseln, der Beipaß 10 und ein zusätzlich in die
Meßgasleitung geschaltetes Filter 28 sind in einem thermostatisierten Ofen 29 untergebracht. Auf diese
Weise sind konstante Strömungsbedingungen gewährleistet. Kondensation und daraus folgende Korrosion im
gesamten meßgasführenden Teil vermieden.
Der Regler 14 ist unter Berücksichtigung der Strömungswiderstäiide der Drosseln I1 2 und 11 so
eingestellt, daß der Druck pi an der gemeinsamen
Verbindungsstelle der drei Drosseln -0,2 bar beträgt, während am Ausgang des FID mit dem Regler 6 ein
Unterd;v:k von —03 bar eingestellt wird. Die Wirkungsweise der beiden gleichartigen Überströmregler 6
und 14 beruht darauf, daß mehr oder weniger Luft von
der Atmosphärenseite her angesaugt wird und in das System hineinströmt. Die beiden Regler werden also
niemals vom Meßgas durchströmt, so daß keine Korrosionsschäden auftreten können.
Unter den oben angegebenen Voraussetzungen ergab sich als höchstzulässige Schwankung von pi — Pb ein
Intervall von +0,1 bar bis —0,1 bar. Einschließlich der barometrischen Schwankungen ergibt sich damit für
den Absolutdruck des Eingangsdrucks p\ ein Schwankungsbereich von + 0,12 bar bis —0,12 bar.
Claims (1)
1. Kontinuierlich arbeitender Gasanalysator, bestehend aus:
a) einem massenstromabhängigen Detektor,
b) einer Saugvorrichtung am Detektorausgang,
c) einem am Detektorausgang angeschlossenen Unterdruckregler, der den durch die Saugvorrichtung
erzeugten Unterdruck/& am Detektorausgang
gegenüber dem Atmosphärendruck po konstant hält,
d) einer ersten Drossel, die dem Detektor in der Meßgasleitung vorgeschaltet ist, ι;
e) einer zweiten Drossel, die der Reihenschaltung von erster Drossel und Detektor als Beipaß
parallel geschaltet ist.
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