DE29504089U1 - Continuous measurement of the odorant concentration in gas pressure control stations using an odorant detector - Google Patents

Continuous measurement of the odorant concentration in gas pressure control stations using an odorant detector

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Description

Kontinuierliche Messung der OdoraarenKonsentration in Gasdruckregelstationen mittels Odorentenceceki.orContinuous measurement of odor concentration in gas pressure control stations using Odorentenceceki.or

1. Notwendigkeit der Odorierung1. Necessity of odorization

Die Gase der öffentlichen Gasversorgung (Erdgas, Stadt-, Kokerei-, Ferngas) müssen einen hinreichenden, charakteristischen Geruch haben; denn er bietet die einzige Möglichkeit, ungewollt ausströmendes Gas aus Rohrleitungen, Hausinstallationen und Gasgeräten wahrzunehmen. Das dient in erster Linie der Sicherheit der Gasabnehmer. Sofern die Gase keinen Eigengeruch aufweisen, sind sie zu odorieren. Die dafür verbindliche Vorschrift ist das DVGW-Arbeitsblatt G 280.The gases from the public gas supply (natural gas, town gas, coking plant gas, long-distance gas) must have a sufficient, characteristic smell; this is the only way to detect gas that is leaking out of pipes, domestic installations and gas appliances. This is primarily to ensure the safety of gas consumers. If the gases do not have their own smell, they must be odorized. The binding regulation for this is DVGW worksheet G 280.

Die gebräuchlichen Odoranten sind organische Schwefelverbindungen, die den Anforderungen nach tiefer Geruchsschwelle, Ungiftigkeit und chemischer Beständigkeit genügen.The commonly used odorants are organic sulfur compounds, which meet the requirements of low odor threshold, non-toxicity and chemical resistance.

2. Ursachen des Geruchsverlustes2. Causes of loss of smell

Trotz vorschriftsmäßiger Odorierung kann die Konzentration des Odoranten in der Gasleitung schwanken, weil die Odorantenmoleküle an der Rohrinnenwand und vom Rohrstaub adsorbiert werden. Sie können sogar chemisch zersetzt werden. Es ist deshalb nicht auszuschließen, da/3 das Gas seinen Geruch beim Verbraucher verloren hat. Jahreszeitlich abhängig stellen sich Schwankungen ein: Im Sommer ist die Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren, niedrig und die Verweilzeit I,ang.. Somit verbleibt dem Zersetzungsvorgang mehr Zeit als im Winter. Es ist im Sommer demzufolge theoretisch häufiger als im Winter mit einem derartigen Geruchsverlust zu rechnen.Despite proper odorization, the concentration of the odorant in the gas line can fluctuate because the odorant molecules are adsorbed on the inside wall of the pipe and by pipe dust. They can even be chemically decomposed. It cannot therefore be ruled out that the gas has lost its odor by the time it reaches the consumer. Fluctuations occur depending on the season: In summer, the flow rate in the pipes is low and the residence time is long. This means that the decomposition process has more time than in winter. In theory, this type of odor loss can therefore be expected more often in summer than in winter.

3. Meßtechnische Möglichkeiten 3 . Measurement options

In den Gasdruckregelst-tioioen bat es sich als notwendig erwiesen, die Konzentration der Ocoriermittel zu kontrollieren. Normalerweise zieht man Proben in speziellen Behältern (Gasmäuse) Vorort und bringt sie in ein Labor. Sin Teil des Odoranten bleibt dabei durch Adsorption am Glas und in den Schläuchen angelagert. Durch Erhitzen (Thermodesorption) versucht man, den Odoranten daraus vollständig zu entfernen. Die Gasprobe wird anschließend speziellen ortgebundenen Chromatographen aufgegeben. Am verbreitetsten ist gegenwärtig der von Gaz de France entwickelte GasChromatograph MEDOR mit einem schwefelspezifischen Detektor. Dieses Gerät ist allerdings standortgebunden, weil die Detektion selbst in einer Chromsäurelösung stattfindet. Auf,deren Oberfläche sind Elektroden so plaziert, daß sie von der Oberflächenspannung gerade getragen werden. Wird die Anlage bewegt, reißt der Film von der Elektrode ab, und die Messung wird unterbrochen. Man muß deshalb aufwendige Wartungs- und Kalibrieraufgaben in Kauf nehmen.In the gas pressure control stations it has proven necessary to control the concentration of the odorants. Normally, samples are taken in special containers (gas mice) on site and taken to a laboratory. Part of the odorant remains adsorbed on the glass and in the tubes. Heating (thermodesorption) is used to try to completely remove the odorant. The gas sample is then fed into special stationary chromatographs. The most common currently is the MEDOR gas chromatograph developed by Gaz de France with a sulfur-specific detector. However, this device is stationary because the detection itself takes place in a chromic acid solution. Electrodes are placed on the surface in such a way that they are supported by the surface tension. If the system is moved, the film on the electrode tears off and the measurement is interrupted. This means that complex maintenance and calibration work must be carried out.

Am einfachsten bestimmt man die Odorantenkonzentration mit Prüfröhrchen. Sie messen jedoch ungenau, und die angezeigten Verfärbungen können nur zum Anhalt dienen.The easiest way to determine the odorant concentration is with test tubes. However, they do not measure accurately and the discolorations shown can only serve as a guide.

Es fehlt ein für Ex-Zonen zugelassenes Vorort-Gerät, das es erlaubt, die Odorantenkonzentration kontinuierlich zu erfassen.There is no on-site device approved for Ex zones that allows the odorant concentration to be continuously measured.

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4. Lösungskonzept4. Solution concept

Um das Ma/3 der Odorierung Vorort, d.h. in der Gasdruckregelstation überprüfen zu können, wird in die Me/3leitung ein Sensor eingebaut, der ähnlich den Druck- und Temperaturdetektoren oder den Quantometern die Konzentration des Odoranten kontinuierlich anzeigt. Dafür eignet sich die Detektion mit elektrochemischer Zelle (Fig. 1 und 2). Sie mu/3 allerdings eine sehr große Membrane (6) haben. Erfahrungsgemäß ist die Fläche der Elektroden im Elektrolyt (7) maßgebend für die Genauigkeit der Zelle.In order to be able to check the level of odorization on site, i.e. in the gas pressure control station, a sensor is installed in the measuring line which, similar to pressure and temperature detectors or quantometers, continuously displays the concentration of the odorant. Detection with an electrochemical cell is suitable for this (Fig. 1 and 2). However, it must have a very large membrane (6). Experience has shown that the area of the electrodes in the electrolyte (7) is decisive for the accuracy of the cell.

4.1. Detektion mit einer speziellen elektrochemischen Zelle großen Volumens4.1. Detection with a special large-volume electrochemical cell

Auf dem Markt werden verschiedene Meßzellen für Schwefelwasserstoff (H2S) angeboten. Sie weisen aber eine Querempfindlichkeit gegenüber organischen Schwefelverbindungen auf. Problematisch ist ebenso nach wie vor die Reproduzierbarkeit des Signals. Durch Anlagerung der Odorantenmoleküle an die meisten Materialien kann sich die Nullpunktlage schon nach wenigen Messungen unerträglich verschlechtern. Eine maximale Toleranz von +/- 3% ist jedoch zu fordern, um im Vorort-Bereich noch brauchbare Aussagen treffen zu können. Der beanspruchte Meßbereich ist jedoch klein, bei Erdgas z.B. 0..30 ppm Odorant. Der obige Toleranzbereich macht dann max. +/- 1,0 ppm aus. Eine derartige Stabilität ist nur von elektrochemischen Zellen mit genügend großer aktiver Fläche erreichbar. Fig.2 zeigt den Aufbau einer solchen Zelle. Das runde Teflonoder Glasgehäuse (1), in dem sich der Elektrolyt befindet, besitzt am Deckel den zentrisch angeordneten Anschlußstutzen, in dem sich die Membrane (10) und die Düse (11) befinden. Er ist mit der Gasmeßleitung (12) fest verbunden.Various measuring cells for hydrogen sulfide (H2S) are available on the market. However, they are cross-sensitive to organic sulfur compounds. The reproducibility of the signal is also still problematic. Due to the adhesion of the odorant molecules to most materials, the zero point position can deteriorate unbearably after just a few measurements. However, a maximum tolerance of +/- 3% is required in order to be able to make useful statements in the on-site area. The claimed measuring range is small, however, for natural gas, e.g. 0..30 ppm odorant. The above tolerance range then amounts to a maximum of +/- 1.0 ppm. Such stability can only be achieved by electrochemical cells with a sufficiently large active area. Fig. 2 shows the structure of such a cell. The round Teflon or glass housing (1) containing the electrolyte has a centrally arranged connection piece on the cover in which the membrane (10) and the nozzle (11) are located. It is firmly connected to the gas measuring line (12).

Wichtig für die Konstruktion ist die unmittelbare Kopplung der elektronischen Bauteile (9) wieImportant for the design is the direct coupling of the electronic components (9) such as

- potentiostatische Schaltung- potentiostatic circuit

- Auswertungselektronik ohne/mit MikroController (z.B. Einchip-uC in SMD-Form)- Evaluation electronics without/with microcontroller (e.g. single-chip uC in SMD form)

an der Zelle selbst (Fig.2). Dabei soll die elektronische Schaltung klein und in Hybridtechnik ausgeführt sein oder mindestens aus platzsparenden SMD-Bausteinen bestehen.on the cell itself (Fig.2). The electronic circuit should be small and designed using hybrid technology or at least consist of space-saving SMD components.

Elektrochemische Zellen sind sehr temperaturempfindlich. Sowohl der Nullpunkt als auch die Empfindlichkeit driften im Winter und im Sommer zu unterschiedlichen Werten hin.Electrochemical cells are very sensitive to temperature. Both the zero point and the sensitivity drift to different values in winter and summer.

Vorteilhaft ist aus diesem Grunde eine Temperaturkompensation des Meßsignals direkt in der Meßzelle. Zumindest sind aber die Temperatur kontinuierlich zu erfassen und die Konzentrationswerte mit der gemessenen Temperatur im Prozessor zu korrigieren.For this reason, it is advantageous to compensate the temperature of the measurement signal directly in the measuring cell. At the very least, the temperature must be recorded continuously and the concentration values must be corrected with the measured temperature in the processor.

4.2. Einbau in die Gasmeßleitung4.2. Installation in the gas measuring line

Der Einbau hat nach Fig. 3 zu erfolgen. Diese Einbaulage bietet dem Gasstrom Schutz vor evtl. auslaufender Säure (elektrolytische Lösung) aus der Meßzelle. Auch die in Fig. 4 vorgestellte Variante mit getrennter Gaszufuhr und Gasabfuhr ist verwendbar. Mögliche Ausführungsformen sind komplette Zellen mit Stromversorgung, z.B. Akkumulatoren oder Batterien. Möglich sind aber auch Low-cost-Versionen ohne.eigeae. Str,omvarsornuag. Diese ModuleThe installation must be carried out as shown in Fig. 3. This installation position offers the gas flow protection from any acid (electrolytic solution) leaking out of the measuring cell. The variant shown in Fig. 4 with separate gas supply and gas discharge can also be used. Possible embodiments are complete cells with power supply, e.g. accumulators or batteries. Low-cost versions without their own power supply are also possible. These modules

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müssen den Strom aus einer externen Quelle beziehen ähnlich den bereits aus der Gastechnik bekannten Me/3wertaufnehmern für Druck und Temperatur. Möglich ist sogar eine Variante mit oder ohne LCD, die die jeweilige Konzentration unmittelbar abzulesen erlaubt. Ohne LCD nimmt man Leuchtdioden für die Signalisierung von Grenzwertverletzungen, oder einen seriellen Ausschluß zum Auslesen der gesammelten Meßdaten in einen mobilen Rechner.must draw power from an external source similar to the pressure and temperature sensors already known from gas technology. A version with or without an LCD is even possible, which allows the respective concentration to be read directly. Without an LCD, light-emitting diodes are used to signal limit violations, or a serial output to read the collected measurement data into a mobile computer.

Ein industriemä/Siges 0dorantenme/3gerät mit diesen Ansprüchen zeigt Fig. 5.An industrial antenna device with these requirements is shown in Fig. 5.

Entscheidend für die Anwendung der elektrochemischen Meßzelle unmittelbar in den Meßleitungen der Gasdruckregelstationen ist die Vermeidung von Funkenbildung und die Erwärmung der Bauteile. Ohne Einhaltung der entsprechenden explosionstechnischen Bestimmungen und Beschaffung der notwendigen Zertifikate ist die Aufstellung von Odorantendetektoren in Gasdruckregelstationen unmöglich.The decisive factor for the use of the electrochemical measuring cell directly in the measuring lines of the gas pressure control stations is the avoidance of sparking and heating of the components. Without compliance with the relevant explosion protection regulations and obtaining the necessary certificates, the installation of odorant detectors in gas pressure control stations is impossible.

4.3. Kompensation gegen Schwefelwasserstoff4.3. Compensation against hydrogen sulphide

Im Erdgas kann sich geringfügiger Schwefewasserstoff befinden, der jedoch in der Lage ist, die Anzeige durch Querempfindlichkeit zu stören. Um diese Störung aus dem Wege zu räumen, wirdNatural gas may contain small amounts of hydrogen sulphide, which can, however, interfere with the display due to cross-sensitivity. To eliminate this interference,

- entweder eine Ausfilterung der H2S-Moleküle aus dem Gasstrom,- either filtering out the H2S molecules from the gas stream,

- oder die Benutzung von zwei elektrochemischen Zellen- or the use of two electrochemical cells

empfohlen, die in einer Brückenschaltung untergebracht werden (Fig. 4). Die erste Meßzelle ist dabei mit dem odorierten, die zweite mit dem noch nicht odorierten oder desodorierten Gasstrom in Kontakt. Die Methoden, die ohne Filter arbeiten, haben naturgemäß Vorteile, gegenüber die Erschöpfungsgefahren oder Zwansausteausch bei Filtern.recommended, which are placed in a bridge circuit (Fig. 4). The first measuring cell is in contact with the odorized gas stream, the second with the not yet odorized or deodorized gas stream. The methods that work without filters naturally have advantages over the risk of exhaustion or forced exchange with filters.

Fig. 1 Aufbau einer elektrochemischen MeßzelleFig. 1 Structure of an electrochemical measuring cell

1) Gehäuse (Teflon oder Glas)1) Housing (Teflon or glass)

2) Meßelektrode2) Measuring electrode

3) Temperaturfühler3) Temperature sensor

4) Referenzelektrode4) Reference electrode

5) Arbeitselektrode5) Working electrode

6) Membran6) Membran

7) Elektrolytische Säure7) Electrolytic acid

8) Meßgas mit Odoriermittel8) Measuring gas with odorant

Fig. 2 Mögliche Ausbildung einer großflächigen IndustriemeßzelleFig. 2 Possible design of a large-area industrial measuring cell

9) integrierte elektronische Module (mit Stromversorgung, Microcontroller)9) integrated electronic modules (with power supply, microcontroller)

Fig. 3 Einbaumöglichkeit der Odorantenmeßzelle in die GasleitungFig. 3 Installation option of the odorant measuring cell in the gas line

10) Stauplatte10) Baffle plate

11) Filter gegen Schwefelwasserstoff11) Filter against hydrogen sulphide

12) Gasmeß leitung12) Gas measuring line

13) Gasstrom13) Gas flow

Fig. 4 Einbauvariante mit BrückenschaltungFig. 4 Installation variant with bridge circuit

24 Vergleichsmeßzelle24 Comparison measuring cell

25 Nicht odorierter Gasstrom oder Umgebungsluft25 Non-odorized gas stream or ambient air

Fig. 5 Odorantenmeßgerät in IndustrieformFig. 5 Odor meter in industrial form

14) T-Stück in der Meßleitung14) T-piece in the measuring line

15) Ermeto-Verschraubung15) Ermeto screw connection

16) Gehäuse16) Housing

17) Ein/Ausschalter17) On/off switch

18) Schnittstelle18) Interface

19) LCD-Feld19) LCD panel

20) Tasten20) Buttons

21) Meldeleuchte für Grenzwertverletzungen21) Indicator light for limit violations

22) Trennwand für die Ablenkung des Gasstromes (Stauwand)22) Partition wall for diverting the gas flow (dam wall)

23) Einströmkanal im Anschlußrohr23) Inlet channel in the connecting pipe

Claims (13)

ANSPRUCHSPUNKTECLAIM POINTS 1. Detektor für die Erfassung der Odorantenkonzentration in Gasdruckregelstationen dadurch gekennzeichnet, da/3 eine elektrochemische Industriemeßzelle mit gro/3em Volumen als Me/3wertaufnehmer benutzt wird.1. Detector for detecting the odorant concentration in gas pressure control stations characterized in that an electrochemical industrial measuring cell with a large volume is used as the measuring sensor. 2. Detektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, da/3 eine ausgesprochen qroße aktive Fläche mit Diffusionsmembrane und entsprechenden Elektroden eingesetzt wird,2. Detector according to claim 1, characterized in that a very large active surface with diffusion membrane and corresponding electrodes is used, 3. das Gehäuse des Detektors aus Materialien besteht, deren Adsorptionsfreudigkeit gegenüber den Odoranten ausreichend gering ist,3. the housing of the detector is made of materials whose adsorption capacity for the odorants is sufficiently low, 4. das Me/3signal entweder analogtechnisch oder durch rechentechnische Berücksichtigung der Temperaturempfindlichkeit des Detektors temperaturkompensiert ist,4. the Me/3 signal is temperature compensated either by analog technology or by calculation taking into account the temperature sensitivity of the detector, 5. die zum Betrieb der Me/3zelle erforderliche elektronische Schaltung in unmittelbarer funktioneller Verbindung mit dem Sensor im Mikroma/3stab ausgebildet ist,5. the electronic circuit required to operate the measuring cell is designed in direct functional connection with the sensor in the micrometer, 6. der Detektor in die Meßleitung der Gasdruckregelstation so eingebaut ist, da/3 seine Funktionstüchtigkeit durch evtl. Auslaufen der elektrolytischen Lösung nicht beeinträchtigt wird,6. the detector is installed in the measuring line of the gas pressure control station in such a way that its functionality is not impaired by any leakage of the electrolytic solution, 7. der Einbau durch ein geteiltes Anschlußstück erfolgen kann, in dem durch eine längliche Trenn-und Lenkwand die Zu- und Abführung des Meßgases in einem Rohrstück vorgenommen wird,7. the installation can be carried out using a split connector in which the supply and discharge of the measuring gas is carried out in one piece of pipe through an elongated partition and guide wall, 8. der Detektor mit externer oder interner Stromquelle, Anzeige, Alarmvorrichtung, Datenfernübertragungseinheit und weiteren Optionen versehen werden kann.8. the detector can be equipped with external or internal power source, display, alarm device, remote data transmission unit and other options. 9. Detektor, geeignet für die Erfassung, aller in der Gasindustrie verwendeten organischen Odoranten, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit des Detektors gegenüber dem in der Gasleitung befindlichen jeweiligen Odoranten bei der Kalibrierung und später bei der Betriebsmessung durch Umschalten berücksichtigt wird.9. Detector suitable for the detection of all organic odorants used in the gas industry, characterized in that the sensitivity of the detector to the respective odorant in the gas line is taken into account during calibration and later during the operational measurement by switching. Detektor nach Anspruch $ dadurch gekennzeichnet, daßDetector according to claim $, characterized in that 10. eine Weastonsche Brückenschaltung bei komplizierten Bedingungen eingesetzt "wird, wobei in der Brücke zwei elektrochemische Zellen eingebaut werden, von denen die eine mit dem odorierten Gasstrom, die andere mit der Außenluft oder mit dem nicht odorierten Gasstrom, evtl. mit einem desodorierten Gasstrom in Verbindung steht,10. a Weaston bridge circuit is used under complicated conditions, whereby two electrochemical cells are installed in the bridge, one of which is connected to the odorized gas stream, the other to the outside air or to the non-odorized gas stream, possibly to a deodorized gas stream, 11. für die Kalibrierung ein Absperrhahn und ein Schlauchanschlußstück in der Meßleitung vorgesehen ist,11. a shut-off valve and a hose connector are provided in the measuring line for calibration, 12. die Kalibrierung mit gereinigter Außenluft,und einem Prüfgas geschieht,12. Calibration is carried out with purified outside air and a test gas, 13. alle Einheiten des Detektors den Bedingungen der geltenden explosionstechnischen..Be&ti^ungen durqh druckfeste Kapselung und/oder iiiihMiit4i13. all units of the detector comply with the conditions of the applicable explosion protection regulations by means of flameproof enclosure and/or
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