DE2947642C2 - Vorrichtung zur Überwachung der Komponenten eines in einer Leitung strömenden Gases - Google Patents
Vorrichtung zur Überwachung der Komponenten eines in einer Leitung strömenden GasesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung /ur Überwachung
der Komponenten eines in einer Leitung strömenden Gases mit einer infrarote Strahlen durch das zu
analysierende Gas hindurchschickenden Infrarotquelle,
einem im Abstand davon angeordneten Detektor, einem zwischen Detektor und Infrarotquelle angcordneicn,
die ankommende Strahlung auf einen vorgegebenen Wellenbereich einengenden Bandfilter und einer in den
Strahlengang zwischen Infrarotquelle und Detektor cinbringbaren,
mit der zu analysierenden Gaskomponcnte gefüllten Filterzelle, wobei der Detektor mit einer elektrischen
Schaltung verbunden ist durch welche die direkte, auf ihn wechselweise auflrcffendc Strahlung der
Infrarotquelie sowie die die FilterzeHe durchlaufende
Strahlung meßbar ist, die Differenz /.wischen beiden
Strahlungspegeln bestimmbar ist und die Differenz durch jeden der beiden vom Detektor empfangenen
Strahlungspegel teilbar ist, wodurch ein eine Funktion der im überwachten Gasstrom enthaltenen Menge der
Gaskomponente darstellendes Signal der elektrischen Schaltung erzielbar ist. — Es gibt viele Fälle, in denen
ein Gas analysiert werden muß. So kann beispielsweise bei einem Rauchgas die Menge des Kohlcnmonoxidgehaltes
einen Hinweis dafür geben, ob ein Brenner mit, über oder unter seinem optimalen Wirkungsgrad arbeitet.
Weitere Anwendungsfälle sind beispielsweise auch Gase, von denen man weiß, daß sie gefährliche oder
sogar giftige Bestandteile enthalten, so dali sie sehr genau
kontrolliert werden müssen.
Handelsübliche Einrichtungen, mit denen beispielsweise die Abgase eines Boilers oder Ofens bezüglich des
CO-Gehaltes überwacht werden können, lassen sich im allgemeinen in zwei Kategorien teilen, und zwar solche,
bei denen zunächst eine Gasprobe entnommen wird und
so diese Probe dann analysiert wird, und solche Einrichtungen, welche das Gas an Ort und Stelle überwachen.
Der größte Teil der konventionellen Einrichtungen gehört zur ersten Kategorie, bei welcher zunächst eine
Gasprobe entnommen wird, diese Gasprobe dann durch ein Filter geleitet wird, um Feststoffe zu entfernen, dann
zur Entfernung irgendwelcher Kondensate getrocknet wird und schließlich dem Analysator selbst zugeleitet
wird. Der Analysator arbeitet dabei nach irgendeiner der vielen bekannten Analysemethoden, wie beispielsweise
mit Fotometrie, Spektroskopie, Filterreduktion und Chromatographie. Der Hauptnachteil dieser Methoden
liegt in der Probeentnahme des Gases selbst, während die Analysatoren an sich gewöhnlich sehr
zweckmäßig ausgebildet sind. Die Systeme zur Probcentnahme benötigen im allgemeinen sehr viel Wartung
und man weiß, daß sie unzuverlässig sind.
Bekannte Einrichtungen, welche Gase an Ort und Stelle überwachen können, arbeiten in der Hauptsache
nach dem Spektrometer-Prinzip für die gleichzeitige
Analyse einer Anzahl von Gasen, bei denen es sich gewöhnlich um CO, SO3. NOv und CO2 handelt Wenn
auch die Analyse des Gases mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden kann, so ergibt sich bei Spektrometern
doch ein Problem, als es sich bei ihnen um sehr empfindliche Instrumente handeü, welche weitgehend
vor Schwingungen geschützt werden müssen. Aus diesem Grunde sind derartige Instrumente, wenn sie an
Ort und Stelle eingesetzt werden, sehr unförmig und das
verwendete Spektrometer selbst muß auf einem sehr zuverlässigen, schwingungsfreien Unterbau montiert
werden. Kritisch ist die optische Ausrichtung, welche eine schwierige und sehr empfindliche Einstellung und
ten Platte, welche durch ein infrarotdurchlässiges Fenster,
beispielsweise aus Germanium, geschützt werden kann und in eine öffnung an der einen Seile einer
Rauchgasleitung montiert werden kann. Bei dem Detektor handelt es sich vorzugsweise um einen pyroelektrische.n
Detektor, wie beispielsweise einen Lithiumtantalal-Detektor.
Dies ist eine Deteklorform, welche hohe Empfindlichkeit und Stabilität mit niedrigem Störpegel
aufweist Bei bestimmten Detektortypen, wie beispielsweise einem Lithiumtantalat-Detektor, welcher ein
Wechselstromdetektor ist und bei Gleichstrom nicht funktioniert, muß zwischen dem Detektor und der Infrarotquelle
ein Zerhacker vorgesehen werden, um die Strahlung auf eine vorgegebene Frequenz zu zerhak-
ständige Wartung erfordert Im allgemeinen ist eine der- 15 ken, wobei der Zerhacker Teil eines geschlossenen Geartige
Einrichtung kostenaufwendig und liefert automa- rates sein kann. Der Detektor, der Zerhacker, falls er
tisch mehr Informationen als unbedingt erforderlich vorgesehen werden muß, und das Bandfilter zusammen
sind. mit den elektronischen Schaltungen können in einem
Bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gerät zusammengefaßt sein und dadurch als Ganzes an
Gattung wird mit rotierenden Bauteilen gearbeitet Da- 20 der der Infrarotstrahlungsquelle gegenüberliegenden
durch ist die Vorrichtung empfindlich und nicht robust Seite einer zu überwachenden Gasleitung montierbar
sein oder die erforderlichen elektronischen Schaltungen können in einem eigenen Gehäuse angeordnet sein, welches
an irgendeiner passenden Steile zusammen mit den 25 in gleicher Weise an einer zweckdienlichen Stelle eingebauten
Laut- oder Sichtsignaleinrichtungen angeordnet wird. Alternativ kann die Strahlungsquelle mit dem Gerät
eine Einheit mit im allgemeinen rohrartiger Form bilden, wobei die Strahlungsquelle am einen Rohrende
lcngang zu bringen sowie einen Strahlenunterbrecher 30 und das Gerät am anderen Rohrende angeordnet ist und
zu verwenden. Auch dabei sind die Filterzellen auf ei- das Rohr gasdurchlässig ist. Dadurch kann das Rohr in
nem rotierenden Bauteil angeordnet, so daß der Einsatz eine Rauchgasleitung eingesetzt werden, wenn die
unter rauhen Betriebsbedingungen im industriellen Be- Überwachung des Rauchgases erforderlich erscheint
reich praktisch nicht möglich ist. Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, die
Zur Überwachung der Komponenten eines Gases an 35 Infrarotquelle und das Gerät auf der einen Seite eines
genug, um rauhen Betriebsbedingungen, insbesondere in einer Rauchgasleitung im industriellen Bereich, ausgesetzt
werden zu können. Letztlich leidet darunter auch die Zuverlässigkeit der Meßwerte.
Es ist ferner bekannt (DE-OS 25 24 614), eine zweite Zelle als Bezugszelle mit einer im zu untersuchenden
Spektralbereich nicht absorbierenden Gasart zu füllen und die beiden Filterzellen wechselweise in den Strah-
Ort und Stelle ist es grundsätzlich bekannt (Power — The magazine of power generation and plant Utilities
engieering, McGraw — Hill Publecation, April 1975, S. 92—94), in eine Gasleitung oder dergleichen, welche
vom zu analysierenden Gas durchströmt wird, eine In-Frarotquelle einzusetzen und einen in gewisser Entfernung
von der Infrarotquelle angeordneten Detektor vorzusehen. Im einzelnen arbeitet man dabei wie folgt:
Die von einer Infrarotquelle ausgehenden Strahlen wer-Rauchgaskanals anzuordnen, die Infrarotstrahlung
durch den Rauchgasstrom hindurchzuleiten und auf einen Reflektor auf der anderen Seite des Rauchgaskanals
treffen zu lassen, welcher die Strahlung dann wieder auf den Detektor zurückfallen läßt. Dabei kann der Reflektor
in der einen Wandung einer Rauchgasleitung montiert werden, während die Infrarotquelle und das Gerät
mit dem Detektor in der gegenüberliegenden Wandung der Rauchgasleitung montiert werden. In gleicher Wei
den mittels zweier Reflektoren in zwei Strahlengänge 45 se wäre es möglich, die Strahlungsquelle und den Detek-
aufgcteilt. wobei einer durch eine mit Luft oder Stick- tor am einen Ende des Rohres und den Reflektor an dem
stoff gefüllte Zelle und der andere durch eine mit dem zu messenden Gas gefüllte Zelle mit Gaseintritt und Gasaustritt
geführt ist. Beide Strahlen werden anschließend mittels Reflektoren über einen Zerhacker geführt und
erreichen über optische Filter die zugeordneten Detektoren.
Ausgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern,
daß diese gegen rauhe Behandlung unempfindlicher ist und gleichwohl zuverlässigere Meßwerte liefert.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zusätzlich zur Filterzelle eine Bezugszelle vorgesehen ist welche
mit einer Gaskomponente gefüllt ist die iii dem vom Bandfilter ausgewählten Strahlenbereich keine Strahlung
absorbiert, und daß die Filterzelle und die Bezugszelle an einem Solenoid befestigt sind, durch dessen
Bewegung wiederholt zuerst die Filterzelle und dann die Bezugszelle in den Strahlengang einführbar sind. —
Solenoid meint hier das ganze Aggregat aus Spule und die zugeordneten, beweglichen Teile.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht vorzugsweise
die Infrarotauelle aus einer elektrisch beheizanderen Ende des Rohres anzuordnen, -wobei das Rohr
wiederum gasdurchlässig ist und in den Rauchgasstrom einführbar ist.
Die beiden Filterzellen sind mit einem Solenoid verbunden, dessen Bewegung fortlaufend zunächst die eine
und dann die andere Filterzelle in den Strahlengang einbringt. Dadurch, daß die Gaskomponenten-Filterzelle
abwechselnd mit der Inertgas-Filterzelle in den Strahlengang hinein und aus demselben herausgebracht wird,
ist die Signaldifferenz seitens des Detektors eine Funktion der Konzentration des speziellen Gases im Rauchgas.
Bei Teilung der Signaldifferenz durch das eine oder andere Signal selbst ist der Endausgang der Schaltungen
wiederum eine Funktion der Gaskonzentration, so daß sich eine wesentliche Minderung, wenn nicht Ausschaltung
von Problemen ergibt, welche durch Eichabweichung und den Temperaturkoeffizienten entstehen
und ?s werden die Hauptprobleme vermieden, welche durch Schmutzablagerungen auf den zum Fokussieren
der Strahlung auf den Detektor unbedingt erforderlichen Linsen verursacht werden.
Als weiiere MöEÜchkeit bei einer Konstruktion, bei
5 6
welcher zwei Detektoren vorgesehen sind, kann jeder fangenen Signale werden einem Vorverstärker 14 einvon ihnen mit zwei in Reihe geschalteten Gaszellen ver- gespeist, dessen Ausgangssignal entweder einer ersten
sehen werden, um selektiv in den Strahlengang einge- Abtast- und Halteschaltung 15 oder einer zweiten Ausbracht zu werden, wobei die Zellenbewegung jedoch in gabe-Abtast- und Halteschaltung 16 eingespeist wird.
Gegenphase synchronisiert wird. Dies ergibt die Mög- 5 Die Ansteuer- und Taktsteuerungsschaltung 12 steuert
lichkeit von im wesentlichen fortlaufenden Ablesungen außerdem zwei Schalter 17 und 18, so daß. wenn die
des zu analysierenden Gases, während sich als zusätzli- Bezugsquelle 13 im Strahlengang liegt, das Signal der
eher Vorteil ergibt, daß jeglicher Nebenrauch, der die Schaltung 16 zugeführt wird, und wenn die Filtcrzelle 6
Gicht hinaufströmt und die Ablesungen bei einem Ein- im Strahlengang liegt, das Signal der Schaltung 15 ztigezeldetektorsystem stören könnte, Ablesungen durch die to leitet wird. Das Ausgangssignal einer jeden der beiden
beiden Detektoren ergibt, welche sich weitgehend Schaltungen 15 und 16 wird einer Differenzschaltung !9
selbst aufheben, so daß trotz des Vorhandenseins von zugeleitet, in welcher der eine Signalwert vom anderen
Rauch genaue Ablesungen für das zu analysierende Gas abgezogen wird. Das Ausgangssignal der Differenz- ·
erfolgen können. schaltung wird dann einem Dividierer 20 eingespeist, in Ά
Es ist von Vorteil, die Eichung der erfindungsgemä- 15 welchen auch das Ausgangssignal der Schaltung 15 ein- ^
Ben überwachungsvorrichtung periodisch zu überprü- gespeist wird. Das Ausgangssigna! dieses Dividierers 20 ψ,
fen. Aus diesem Grunde werden vorzugsweise Bezugs- wird in eine Linearisierschaltung 21 eingegeben, deren ύ
einrichtungen vorgesehen, die darin bestehen, daß eine Ausgangssignal zur Erzeugung eines hörbaren oder |
zusätzliche Eichzelle mit eigener Infrarotquelle und ei- sichtbaren Signals, welche die Menge des überwachten ä
ner Gasfüllung mit vorgegebener Gaszusammenset- 20 Gases im zu überwachenden Gasstrom meldet, und/
zung in den Strahlengang einführbar und so die Meßge- oder Steuersignal für die Einstellung der Arbcitsbedinnauigkeit der Vorrichtung überprüfbar und die Vorrich- gungen eines Brenners ausgenutzt werden kann. .';
tung nacheichbar ist '
benötigen insgesamt den Einsatz einer besonderen In- 25
frarot-Strahlungsquelle. Andererseits ist es naturgemäß :
auch ohne weiteres möglich, unter gewissen Umständen :
die Strahlung vom heißen Gas selbst als die auf den
Detektor gerichtete Strahlungsquelle auszunutzen. >;
spiel der Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert; es zeigt
F i g. 1 eine Vorderansicht der Überwachungsvorrichtung und -
Fig.2 ein Blockschaltbild der Vorrichtung nach 35
Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Gasüberwachung an Ort und Stelle besitzt eine Infrarotquelle 1,
weiche in eine nicht dargestellte Leitung oder dergleichen eingesetzt werden kann, durch welche das zu ana- 40
lysierende Gas hindurchströmt, ferner ein Gerät 2, welches in gewisser Entfernung von der Infrarotquelle angeordnet wird. Das Gerät 2 besitzt ein Sichtrohr 3, welches die von der Infrarotquelle herkommende Strahlung
auf einen Lithiumtantalat-Detektor 4 fokussiert Ein 45
Dreh- und Gestängesolenoid 5 trägt eine mit der zu
analysierenden Gaskomponente gefüllte Filterzelle 6
sowie eine weitere, nicht dargestellte Bezugszelle, welche abwechselnd in den Strahlengang von der Strah- :
lungsquelle zum Detektor eingebracht werden. Das Ge- 50
rät besitzt außerdem einen Zerhacker und ein Bandfilter "
zwischen dem Deiekiör 4 und der infrarotquelle. Ge- ;;
druckte Schaltungen 7 für die Steuerung des Betriebes
des Solenoides 5 und die Verarbeitung der vom Detek- -: ^
tor empfangenen Signale sind ebenfalls in den Geräten 55 ?J
vorgesehen. M
eine weitere Infrarotquelle 8 aufweisen, deren Infrarot- P
strahlung durch Spiegel 9 und 10 auf den Detektor gelei- f;
tet werden kann. Der Spiegel 9 steht fest und der Spie- 60 %\
gel 10 ist auf einem Drehsolenoid 11 montiert, um den j|
in unwirksamer Lage zu halten. %
einer Blockschaltung. Dabei wird das Solenoid 5 von 65 ||
einer Ansteuer- und Taktsteuerungsschaltung 12 ange- S
trieben, um die Filterzelle 6 und die Bezugszelle 13 in l|
den Strahlengang zu bringen. Die vom Detektor 4 emp- 'j|
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Überwachung der Komponenten eines in einer Leitung strömenden Gases mit
einer infrarote Strahlen durch das zu analysierende Gas hindurchschickenden Infrarotquelle, einem im
Abstand davon angeordneten Detektor, einem zwischen Detektor und Infrarotquelle angeordneten,
die ankommende Strahlung auf einen vorgegebenen Wellenbereich einengenden Bandfilter und einer in
den Strahlengang zwischen Infrarotqueile und Detektor einbringbaren, mit der zu analysierenden
Gaskomponente gefüllten Filterzelle, wobei der Detekror mit einer elektrischen Schaltung verbunden
ist, durch welche die direkte auf ihn wechselweise auftretende Strahlung der Infrarotquelle sowie die
die Filterze.'le durchlaufende Strahlung meßbar ist,
die Differenz zwischen beiden Strahlungspegein bestimmbar ist und die Differenz durch jeden der beiden vom Detektor empfangenen Strahlungspegel
teilbar ist, wodurch ein eine Funktion der im überwachten Gasstrom enthaltenen Menge der Gaskomponente darstellendes Signal der elektrischen Schaltung erzielbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur FilterzeHe (6) eine Bezugszelle (13) vorgesehen ist, welche mit einer Gaskom
ponente gefüllt ist, die in dem vom Bandfilter ausgewählten Strahlenbereich keine Strahlung absorbiert,
und daß die FilterzeHe (6) und die Bezugszelle (13) an einem Solenoid (5) befestigt sind, durch dessen Bewegung
wiederholt zuerst die FilterzeHe (6) und dann die Bezugszelle (13) in den Strahlengang cinführbar
sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,
daß die Infrarotquelle (1) aus einer elektrisch beheizten Platte besteht
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (4) als pyroelektrischer
Detektor ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (4) ein Lithiumtantalat-Detektor
ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Detektor (4) und der
Infrarotquelle (1) ein die ankommende Strahlung auf eine vorgegebene Frequenz zerhackender Zerhakker
vorgesehen ist
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (4), der
eventuell vorgesehene Zerhacker und das Bandfilter mit den elektronischen Schaltungen in einem Gerät
(2) zusammengefaßt sind und dadurch als Ganzes an der der Infrarot-Strahlungsquelle (1) gegenüberliegenden
Seite einer zu überwachenden Gasleitung montierbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß das Gerät (2) und die Strahlungsquelle
(1) eine im allgemeinen rohrartige Einheit bilden, wobei das Gerät (2) am einen und die Strahlungsquelle
(1) am anderen Rohrende angeordnet sind und das Rohr gasdurchlässig ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotquelle (1)
und das Gerät (2) auf der einen Seite eines Rauchkanals und ein Reflektor auf der anderen Seite des
Rauchkanals angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-
zeichnet, daß die Infrarotquelle (1) und das Gerät (2)
am einen Ende und der Reflektor am anderen Ende eines in einen Rauchgasstrom einführbaren gasdurchlässigen Rohres angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche liich-
zelle mit eigener Infrarotquelle (1) und einer Gusfüllung
mit vorgegebener Gaszusammenscizung in den
Strahlengang einführbar und so die Meßgenauigkeit der Vorrichtung überprüfbar und die Vorrichtung
nacheichbar ist.
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