DE3215534A1

DE3215534A1 - Verfahren zur bestimmung des wasserdampfanteils in einem sauerstoff enthaltenden gasgemisch

Info

Publication number: DE3215534A1
Application number: DE19823215534
Authority: DE
Inventors: Takeo Kunitachi Tokyo Tanaka; Shinya Tokyo Ueda
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1981-04-27
Filing date: 1982-04-26
Publication date: 1982-11-18

Description

Verfahren zur Bestimmung des Wasserdampfanteils in einem
Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Wasserdampfanteils in einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch (Meßgas) und Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Uberwachung von Industrieprozessen wird häufig verlangt, den Wasscrdalnpfanteil cirics Abgases, insbesondere eines Abgases hoher Ternperatur aus Trocknungsanlagen, mit geringem Aufwand, großer Genauigkeit und nöglichst kontinuierlich in situ zu messen.
Zur Bestimmung der Gasfeuchte sind zwar mehrere Meßmethoden bekannt, beispielsweise psychrometrische oder Taupunkt-Meßverfahren, sie sind jedoch für diese Zwecke wegen hohen gerätetechnischen oder Wartungsaufwandes oder zu geringer Ansprechgeschwindigkeit entweder nicht oder wenig geeignet.
Es besteht demgemäß die Aufgabe, ein Meßverfahren anzugeben, welches es erlaubt, den Wasserdampfanteil in Gasgemischen, insbesondere in solchen höherer Temperatur, unter den oben genannten Bedingungen zu bestimmen.
Eine Lösung der Aufgabe wird in einem Verfahren gesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß aus einer elektrischen Größe, die eine Funktion des Sauerstoffgehalts des Meßgases ist, der Wasserdampfgehalt des Meßgases berechnet wird.
Für die Messung des Sauerstoffgehalts von Gasgemischen, die Wasser enthalten, stehen eine Reihe von Sauerstoffmeßgeräten und -verfahren zur Verfügung, mit denen unter den genannten 13edinDull;erl gemessell werdeti kaijn Danach ist aus dem gemessenen Sauerstoffgehalt x des feuchten Meßgases und dem gemessenen oder als konstant bekannten Sauerstoffgehalt des trockenen Meßgases der Wasserdampfgehalt y implizit zu errechnen gemäß der Funktion x = a1 -a2 . Y (Vol. %), (1) wobei a1 der Sauerstoffgehalt des trockenen Meßgases und a2 ein Hundertstel dieses Sauerstoffgehalts ist.
In vielen Anwendungsfällen handelt es sich bei dem zu überwachenden feuchten Abgas um wasserdampfbeladene Luft aus Trocknungsanlagen. Da der Sauerstoffanteil von trockener Luft bekanntlich 20,93 Vol. % beträgt, erscheint die funktionelle Beziehung (1) in der Form x = 20,93 - 0,2093 . y (Vol. ) (2) Die Funktion (1) ist linear und läßt sich ohne besonderen Aufwand berechnen bzw. in der weiteren Meßwert- oder Datenverarbeitung einsetzen.
Unter Anwendung eines anderen bekannten Meßprinzips, dem die Nernst sche Gleichung zugrunde liegt, wonach eine EMK proportional dem Logarithmus des Verhältnisses der Sauerstoffgehalte von Meßgas und Referenzgas ist, läßt sich der Wasserdampfgehalt y aus dem funktionellen Zusammenhang E = k log (100 - y) (3) errechnen, wobei E die EMK und k eine den Wert für log. 1/100 enthaltende Proportionalitätskonstante ist. Als Sauerstoffsensoren für dieses Meßverfahren eignen sich sauerstoffionenleitende Festkörperelektrolyte, beispielsweise stabilisiertes Zirkoniumdioxyd Zur02, welches als Trennwand zwei Gasräume voneinander trennt, von denen der eine rnit dem feuchten Meßgas, der andere mit getrocknetem Meßgas oder einem sauerstoffhaltigen Referenzgas beaufschlagt ist.
Da diese Sensoren bei Arbeitstemperaturen über 500 OC betrieben werden, sehr kompakt sind und sich auch in einfacher Weise in den Strömungsweg des Meßgases in gasführenden Leitungen einbauen lassen, ist das darauf beruhende Meßverfahren zur Bestimmung des Wasserdampf anteils besonders vorteilhaft.
Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 und 3 Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt, Figur 2 zeigt in einem Diagramm den linearen Zusammenhang zwischen Sauerstoff- und Wasserdampfgehalt eines Meßgases gemäß Gleichung (1).
In Figur 1 ist ein Leitungskanal 1 im Querschnitt darbcstellt, in welcherndas feuchte Meßgas 2 strömt, beispielsweise die Abluft einer industriellen Trocknungsanlage.
Der kontinuierlich zu bestimmende Wasserdampfgehalt des Meßgases gibt Auskunft über das Stadium des Trocknungsprozesses.
In eine Öffnung in der Wand des Leitungskanals 1 ist ein sauerstoffempfindlicher Meßwertaufnehmer 3 eingebaut, beispielsweise die Meßkammer eines magnetischen Sauerstoffanalysators. Der Meßurnformer 4 erzeugt aus dem Ausgangssignal des Aufnehmers 3 eine elektrische Größe, die dein Sauerstoffgehalt x des Meßgases entspricht. Gemessen wird bei einer über dem Taupunkt liegenden Meßgastemperatur.
In der Rechenschaltung 5 wird gemäß der Gleichung (2) der Wasserdampfanteil y irn Meßgas 2 eitcchnct uiid in der Dimension Vol. 70 als elektrische Größe angezeigt und/oder als Regel- oder Stk3uergröí3e weiterverarbeitet.
In der Figur 2 ist der lineare Zusammetihang zwischen Sauerstoffgehalt x und Wasserdarnpfgehalt y nochmals als Diagramm dargestellt.
Eine andere Meßeinrichtung zeigt Figur 3.
In eine Wandöffnung des das Meßgas 2 führenden Leitungskanals 1 ist der Meßwertaufnehmer 3 in einem Schutzrohr 36 eingesetzt und mit dem Flansch 4 gehalten.
In ein Keramikrohr 33 ist als Trennwand in einer radialen Ebene ein Sauerstoffsensor 30 in Form einer Scheibe aus einem sauerstoffionenleitenden Festkörperelektrolyten, beispielsweise stabilisiertes Zirkondioxyd, eingesetzt, die beidseitig mit Elektroden 31, 32 versehen ist und zwei Gasräume voneinander trennt. Aufbau und Wirkungsprinzip dieser Art von Sauerstoffsensoren werden als bekannt vorausgesetzt.
Der in der Zeichnung links befindliche Gasraum ist gegen den Leitungskanal 1 offen, in ihm befindet sich Meßgas 2, dessen Wassergehalt zu bestimmen ist. Das zum Betrieb des Sauerstoffsensors 30 benötigte Vergleichsgas wird aus dem Meßgas 2 gewonnen, indem über eine Entnahmeleitung 5 mittels einer Pumpe 6 feuchtes Meßgas angesaugt, in dem Gastrockner 7 von seinem Wassergehalt befreit und über das zentrisch in das Keramikrohr 33 ragende Rohr 9 als Referenzgas dem zweiten Gasraum rechts zugeführt wird. Durch den Ringspalt zwischen Rohr 9 und Keramikrohr 33 strömt das Referenzgas in eine Kammer 8 und von dort über eine Leitung 10 wieder in den Leitungskanal 1 zurück, so daß in beiden Gasräumen rechts und links der sauerstoffionenleitenden Trennwand der gleiche Druck herrscht.
Das rückströmende Referenzgas kann jedoch auch aus der Kammer 8 direkt in die Atmosphäre abgeführt werden.
Die Arbeitstemperatur des Sauerstoffsensors 30 liegt über 500 OC, sie wird mittels der Heizwicklung 35 und der Isolierschicht 34 konstantgehalten.
Die zwischen den Elektroden 31 und 32 des Sensors 30 auftretende, der Ne'rnst'schen Gleichung folgende EMK wird in einem hier nicht gezeichneten Verstärker Init hochohmigem Eingang verstärkt und in ein dem Sauerstoffgehalt entspre- chendes elektrisches Signal umgewandelt. In einer nachfolgenden Rechenschaltung wird aus der Beziehung (3) der Wasserdampfgehalt y des Meßgases 2 berechnet.
6 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung des Wasserdampfgehalts in einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch (Meßgas), d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß aus einer elektrischen Größe, die eine Funktion des Sauerstoffgehalts des Meßgases ist, der Wasserdampfgehalt des Meßgases berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß aus dem gemessenen Sauerstoffgehalt (x) des feuchten Meßgases und aus dem gemessenen oder als konstant bekannten Sauerstoffgehalt (a1) des trockenen Meßgases oder eines Referenzgases der Gehalt an Wasserdampf (y) errechnet wird gemäß der Funktion x=a1 -a2 y y (Vol. %) mit a2 = a1/lOO ~
3. Verfahren nach Anspruch 2 mit feuchter Luft als Meßgas, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wasserdampfgehalt (y) aus dem gemessenen Sauerstoffgehalt (x) und dem bekannten konstanten Sauerstoffgehalt (a1) trockener Luft aus der Funktion x = 20,93 - 0,2093 y (Vol. %) errechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die elektrische Größe eine EMK(E) ist, proportional dem Logarithmus des Verhältnisses der Sauerstoffgehalte von Meßgas und Referenzgas (trockenes Meßgas) und daß der Wassergehalt (y) aus dem funktionellen Zusammenhang E = k log (100 - y) errechnet wird, wobei k eine log 1/100 enthaltende Proportionalitätskonstante ist.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen magnetischen Sauerstoffanalysator (3, 4) und eine Rechenschaltung (5) zur Berechnung einer dem Wasserdampfanteil (y) entsprechenden elektrischen Größe aus dem Ausgangssignal des Analysators.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß ein Sauerstoff-Meßwertaufnehmer (3), wie an sich bekannt, einen sauerstoffionenleitenden Festkörperelektrolyten als Sauerstoffsensor (30) enthält, der in ein beheizbares Rohr (33) eingebaut ist und zwei Gasräume voneinander trennt, von denen der eine mit dem feuchten Meßgas (2), der andere mit getrocknetem Meßgas oder einem sauerstoffhaltigen Referenzgas beaufschlagt ist.