DE3231840A1 - Gasanalysator - Google Patents

Gasanalysator

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David Prestwick Ayrshire Trainer
Harvie Robert Chalmers Livingston West Lothian Wright
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Description

Coal Industry (Patents) Limited, Hobart House, Grosvenor Place, London SW1X 7AE, England
Gasanalysator.
Die Erfindung betrifft einen verbesserten Gasanalysator, in dem eine Vielzahl von Gasen kontinuierlich nachgewiesen werden, insbesondere geeignet zum Gebrauch in Untertage-Kohlebergwerken.
Es ist bekannt, Gassensoren zu benutzen, die den Gehalt eines bestimmten, vorgewählten Gases in der Atmosphäre bestimmen. Beispielsweise ist es bekannt, eine Kohlenstoff-Monoxid nachweisende elektrochemische Zelle zu verwenden, oder einen Infrarot-Analysator, um die Konzentration von Kohlenmonoxid in der Atmosphäre eines Kohlenbergwerkes zu bestimmen. Es ist auch bekannt, Bergwerksluft auf Methan hin zu analysieren, indem die methanhaltige Luft über einen erhitzten Pellistor geführt wird, der die Oxidation des Methans katalysiert. Sauerstoffsensoren, im allgemeinen auf einer elektrochemischen Zelle basierend, sind ebenfalls bekannt.
Solche Gassensoren können tragbar sein, d. h. sie können durch einen Menschen herumgetragen und an eine geeignete Stelle in der Mine abgestellt werden, oder aber sie können auch Teil einer feststehenden Analysiereinheit auf der Oberfläche sein als Teil eines sogenannten "Röhren-Bündel-Systems" ("tube-bundle" system). Das "Röhren-Bündel-System" hat in britischen Kohlenbergwerken eine recht weitverbreitete Verwendung gefunden, und es besteht aus einer Oberflächen-Überwachungsstation und aus einer Ansammlung von langen Röhren, die zu unterschiedlichen wichtigen Teilen des Bergwerks führen. Die Luft in diesen Teilen kann analysiert werden, indem Proben abgezogen werden und in die Oberflächen-Station gepumpt werden. Obwohl dieses System geeignet ist, genaue Resultate zu geben, können in der Praxis Probleme auftauchen wegen leckender Röhren oder wegen einer Verzögerung oder einer Unterbrechung des
Durchgangs der Proben von den unterschiedlichen Teilen des Bergwerks; die Geschwindigkeit, mit der ein vollständiger programmierter Zyklus der Probenentnahme und der Analyse abgeschlossen ist, kann eine Zeitverzögerung von ein oder zwei Stunden im Nachweis eines Vorfalls bedeuten, der zu einer Änderung der Bergwerksatmosphäre geführt hat. Das System, das zur Bestimmung von Kohlenmonoxid benutzt wird, umfaßt Infrarot-Spektrometrie und obwohl es genau arbeitet, ist es unhandlich, teuer und vollkommen ungeeignet für den Gebrauch unter Tage in einer Bergwerksumgebung.
Soweit uns bekannt ist, gibt es kein kommerziell verwertetes Instrument zum Gebrauch unter Tage, welches tragbar ist und in der Lage, gleichzeitig mehr als eine Komponente einer Gasmischung zu bestimmen. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Gasanalysator zu schaffen, der zu dem gewünschten Punkt in einem Kohlenbergwerk unter Tage getragen werden kann und der dort in einer von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Betriebsweisen benutzt werden kann.
Demgemäß ist entsprechend der vorliegenden Erfindung ein tragbarer Gasanalysator vorgesehen, der in der Lage ist, simultan Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Methan nachzuweisen, und der eine Gaseinlaßöffnung aufweist, eine Einrichtung, um eine Gasprobe durch die Einlaßöffnung zu saugen und diese Gasprobe aufeinanderfolgend durch eine erste, eine zweite und eine dritte Gasanalysier-Einrichtung zu befördern, um gleichzeitig die Konzentration von Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Methan zu bestimmen, sowie eine Einrichtung zum gleichzeitigen Anzeigen und/oder übertragen und/oder Aufzeichnen der bestimmten Gaskonzentrationen.
Es bestehen geeignete kommerzielle elektrochemische Zellen oder ähnliches, die eine annehmbare Genauigkeit aufweisen und eine kleine Größe und ein geringes Gewicht aufweisen und diese werden für den Gebrauch in der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Bei-3^ spielsweise kann eine elektrochemische Zelle benutzt werden, um Kohlenmonxid zu analysieren; eine solche Zelle kann vom Drei-Elektroden-Typ oder vom Zwei-Elektroden-Typ sein. Eine geeignete Zelle wird von InterScan Corporation of Chatsworth, Kalifornien, herge-
stellt, eine weitere wird von City Technology Limited of London hergestellt. Für Sauerstoff kann eine andere elektrochemische Zelle verwendet werden, beispielsweise der Sauerstoffsensor, der von City Technology Limited hergestellt wird. Für Methan jedoch wird vorzugsweise ein Pellistor bekannter Art verwendet; geeignete Pellistoren befinden sich in bestehenden Methan-Monitoren wie beispielsweise in denjenigen, die von der English Electric Valve Co. of Chelmsford, Essex, England hergestellt werden. Nachdem im Falle von Methansensoren nach der Art der Pellistoren Sauerstoff verbraucht wird und Kohlendioxid produziert wird, werden die Gasanalysierungs-Einrichtungen vorzugsweise so angeordnet, daß Methan als letztes Gas analyisiert wird, um für die anderen Gase das Risiko ungenauer Resultate zu vermeiden.
Vorzugsweise wird eine kleine Pumpe verwendet, um Gasproben in den Analysator zu saugen. Anfängliche Tests deuten an, daß eine Gasflußgeschwindigkeit von 1.000 cc/min geeignet sind, aber dieser Wert kann jedoch entsprechend den Erfordernissen des Benutzers und entsprechend den gewählten unterschiedlichen Gasanalysierungs-Einrichtungen geändert werden. Eine passende Pumpe ist die Brey "Series G" Rotary vane type, angetrieben durch einen "Escap"-Motor; bei diesem Motor handelt es sich um eine erprobte Konstruktion und wurde in dem "Gravimetric Dust Sampler", der von C. F. Casella & Co. Ltd. vertrieben wird, in großem Umfang unter Tage verwendet. Vorzugsweise umfaßt die Anordnung auch einen Filter, der Staub oder andere Teilchen aus dem Gas entfernt, bevor es analysiert wird; beispielsweise kann ein auswechselbarer Membranfilter aus Glasfiberpapier mit 5 Mikromillimeter Nominal öffnung vor die Pumpe montiert werden.
Die meisten existierenden Analysatoren für ein einziges Gas beruhen auf der Diffusion der Gasprobe zu der Gasanalysierungs-Einrichtung, also beispielsweise zu der Machweiselektrode einer elektrochemischen Zelle. Im Falle der vorliegenden Erfindung wird ein positiver Gasfluß aufrechterhalten. Dies erlaubt nicht nur ein etwas schnelleres Ansprechen auf sich ändernde Bedingungen und eine Analyse in aufeinanderfolgenden Analysier-Einrichtungen, es erlaubt auch die Verwendung einer Gasproben-Sonde. Eine Gas-
proben-Sonde ist für bestimmte Untersuchungszwecke zu bevorzugen, da sie genauer die Hauptquelle eines bestimmten Gases lokalisieren kann und da sie wesentlich bequemer in der Benutzung ist gegenüber denjenigen Fällen, in denen das (ganze) Instrument zur Gasquelle gebracht werden muß.
Vorzugsweise wird die Konzentration der zu überwachenden Gase kontinuierlich als Prozentsatz der Luft angezeigt, und zwar über eine Zeigeranzeige oder vorzugsweise auf einer digitalen Anzeige wie beispielsweise Festkörper-LCD oder LED-Display. Vorzugsweise erzeugt der Analysator auch Ausgangssignale für jede Gaskonzentration; solche Ausgangssignale weisen zweckmäßigerweise die passende Charakteristik auf, um einem vollständigen elektronischen Bergwerks-Überwachungssystem wie z. B. demjenigen zugeführt zu werden, welches als "MINOS" bekannt ist, welches in zunehmendem Maße in britischen Kohlenbergwerken verwendet wird. Der Analysator kann eine Alarmeinrichtung umfassen, welche aktiviert wird, sobald der Gehalt an Methan, Sauerstoff oder Kohlenmonoxid in vorbestimmte Bereiche fällt, jedoch kann dies dann weniger geeignet sein, wenn eine Untersuchung vorgenommen wird, da oft lokalisierte Gastaschen vorkommen, die normalerweise gefährlich sind, nicht jedoch in Ansammlungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Analysator mit einer wiederaufladbaren Batterie betrieben, und es wird eine Schaltanordnung verwendet, welche bei einer niedrigen Spannung arbeitet und welche Strom-stabilisiert ist, so daß ein sehr viel stabilerer Betrib erreicht werden kann, als wenn man sich auf die Leistungszellen-Charakteristik einer relativ konstanten Spannung während der Entladung verläßt, die ein Spannungsplateau ergibt. Eine solche Schaltanordnung sieht vorzugsweise eine Batterieabschaltung vor, sobald die Positiv- oder Negativ-Spannung unter ein vorbestimmte Niveau fällt, um eine Beschädigung der Zellen durch eine excessive Entladung zu vermeiden. 35
Der Gasanalysator gemäß der Erfindung kann auf eine Anzahl unterschiedlicher Weisen benutzt werden. Nachdem er tragbar ist, kann er von jemandem als ein Hilfsmittel zur überwachung getragen wer-
323184C
den, insbesondere zum Nachweis von Kohlenmonoxid, welches ein Anzeichen einer spontanen Verbrennung ist, und zum Nachweis von Methanemissionen und zum Nachweis von Sauerstoffmangel. Mit dem Analysator wird daher eine Einrichtung geschaffen, um Problemgebiete für frühzeitige Präventivmaßnahmen gezielt herauszusuchen und in Notfällen gibt sie eine rasche Aufschlüsselung der atmosphärischen Komponenten, deren Kenntnis von wesentlicher Bedeutung ist. Die Fähigkeit, die Konzentrationen dieser Gase mit einem einzigen Instrument anstelle von dreien, wie sie bisher benutzt wurden, anzuzeigen,ist in praktischer Hinsicht von sehr großer Bedeutung. Ein solcher tragbarer Analysator kann selbstverständlich für eine bestimmte Zeitdauer in einer bestimmten Position belassen werden; vorzugsweise wird er von einer Batterie angetrieben, die in der Lage ist, zwanzig Stunden oder länger für einen kontinuierlichen
J5 Betrieb zu sorgen.
Der Analysator kann auch an einem feststehenden oder an einem teilweise permanenten Ort benutzt werden, wobei er abseits einer Hauptstromversorgung mit einer Zusatzbatterie betrieben wird. Beispielsweise kann ein Analysator einen Teil der Einrichtung eines KontrollZentrums zum Koordinieren von Rettungs- oder ßergungsmaßnahmen oder anderen Notfällen bilden.
Ein anderer Anwendungsbereich für den Gasanalysator ist ein "permanenter" Platz, beispielsweise neben einer Kohlenabbaufront, bei der der Analysator durch Rohre hindurch mit Proben versorgt wird, wobei die Rohre direkt von den Probenpunkten zu dem Analysator führen. Eine solche Installation würde eine lokale Alternative zu einem kompletten Röhren-Bündel-System darstellen. Die relative Kürze der Rohre und die verringerte Anzahl der Rohre würde eine Menge derjenigen Probleme vermeiden, die sich bei einem Röhren-Bündel-System ergeben, und würde einen einfachen Austausch von beschädigten Rohre erlauben. In einem solchen Fall würde der Analysator dazu benutzt, Signale zu erzeugen, die an die Oberfläche zum überwachen der Betriebsbedingungen übermittelt würden, und hierdurch würden schneller Ansprechzeiten möglich werden.
Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der nachfolgenden Zeichnung beschrieben, welche in schematischer Weise ein Systemdiagramm eines Analysators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Der Analysator wird mit einer Batterie 1 betrieben, welche wiederaufladbare Ni-C d-Zellen, 4 χ 1.2 V, umfaßt. Die Batterie treibt über eine schaltbare/ Verbindung eine Pumpe 2 an und versorgt eine Stromversorgungseinheit 3 mit Strom, welche ihrerseits einen stabilisierten Spannungsausgang aufweist. Eine Gaseinlaßöffnung 4, welche die Form einer öffnung am Analysator haben kann oder aus einem flexiblen Gasprobenrohr bestehen kann, welches auf einer Sonde, einem Fühler od. dgl. benutzt werden kann, dient dazu, die zu analysierende Luft in den Analysator mittels der Pumpe
!5 2 anzusaugen. Die ankommenden Gase werden durch die Pumpe mit einer Geschwindigkeit von 1.000 cc/min durch ein Glasfiberpapier mit einer Nominal öffnung von 5 Mikromillimeter, welches sich in einer Filtereinheit 5 befindet, gesaugt, um Festkörperteilchen zurückzuhalten. Die Gase gehen dann durch die Pumpe hindurch in eine Kohlenmonoxid-Sensorzelle 6 bekannter Bauart. Der Ausgang dieser Zelle mit der Bezugsziffer 7 bezeichnet, wobei das entsprechende Ausgangssignal in einem Kohlenmonoxid-Modul 8 verarbeitet wird, welches das Ausgangssignal der Zelle in ein Signal umwandelt, welches dem Prozentsatz der Konzentration von Kohlenmonoxid in der Gasprobe entspricht, und welches im Zusammenhang mit einer konventionellen Flüssigkristall-Display-Einheit 9 verwendet wird, so daß die Konzentration direkt angezeigt wird. Das Signal wird auch in ein analoges Ausgangssignal 10 konvertiert, im Bereich zwischen 0,4 bis 2,0 V, welches geeignet ist, einer zentralen Datenverarbeitungsanlage (nicht dargestellt) zugeführt zu werden.
Die Gase werden durch die Kohlenmonoxid-Zelle 6 kontinuierlich zu einer elektrochemischen Sauerstoff-Sensorzelle 11 bekannter Art weitergeführt. Das Ausgangssignal 12 aus der Sauerstoffzelt wird in einem Sauerstoffmodul 13 verarbeitet, um eine direkte Anzeige der Sauerstoffkonzentration im LCD-Display 14 sowie ein analoges Ausgangssignal 15 zu geben.
Nach dem Nachweis des Sauerstoffes werden die Gase zu dem Methan-Sensorkopf 16 vom katalytischen Pellistor-Typ geführt, indem das Methan katalytisch oxidiert wird. Das Ausgangssignal 17 aus dem Sensorkopf wird zu einem Methanmodul 18 geführt, um es zu einem direkten Konzentrationssignal zur Anzeige im LCD-Display 18 sowie zu einem analogen Ausgangssignal 20 zu verarbeiten. Das Gas wird dann durch die Gasauslaßöffnung 21 ausgestoßen.
Es ist keine Korrektur der Ausgangssignale erforderlich, um dem 2Q früheren Werdegang der Gasprobe Rechnung zu tragen, zweckmäßigerweise wird jedoch der Analysator unter Verwendung von Testgasen bekannter Zusammensetzung kalibriert, wie dies in herkömmlicher Weise erfolgt. Der Analysator kann innerhalb eines nicht dargestellten robusten Traggehäuses angeordnet sein, um den Analysator vor der Kohlengrubenumgebung zu schützen, und Tests haben gezeigt, daß sich hieraus ein Analysator mit guter und verläßlicher Arbeitsweise ergibt. Der Analysator kann auf einfache Weise getragen und betrieben werden und er ermöglicht zum ersten Male die gleichzeitige Messung von kritischen Gaskonzentrationen in Kohlenbergwerken unter Tage.
Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Leerseite

Claims (7)

  1. Karl A DnnCC D. Karl ΟΠΛΝΟΓ* ■ -''Ptom
    igenieura
    M BROSEDKi BROSE
    D-8023 München-Pullach. fiUienesSfr. 2; TeIr(08957 93 30 7ί; Telex 5212147 bros d; Cables: «Palentibus» München
    Coal Industry (Patents) Limited, Hobart House, Grosvenor Place, London SW1X 7AE5 England 3231840
    ihr Zeichen: Case 4411 Ta9: 26. August 1982
    Yourref: Date:
    PATENTANSPRÜCHE
    [Y. 'Tragbarer Gasanalysator zur Verwendung in Kohlenbergwerken unter Tage, dadurch gekennzeichnet, daß er eine einzige Gaseinlaßöfnnung (4) umfaßt, eine Einrichtung (2) zum Ansaugen einer Gasprobe durch die Finlaßöffnung hindurch und zum aufeinanderfolgenden Zuführen der Gasprobe durch eine erste, eine zweite und eine dritte Gasanalysierungs-Einrichtung (6, 11, 16) zum gleichzeitigen Bestimmen der Konzentration von Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Methan, sowie eine Einrichtung (8, 13, 18) zum gleichzeitigen Anzeigen und/oder übertragen und/oder Aufnehmen der so bestimmten Konzentrationen der Gase.
  2. 2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Analysiereinrichtung für Kohlenmonoxid und Sauerstoff elektrochemische Zellen verwendet werden und daß als Analysiereinrichtung für Methan ein Pellistor verwendet wird.
  3. 3. Analysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase in folgender Reihenfolge analysiert werden: Sauerstoff, Kohlenmonoxid und dann Methan,oder: Kohlenmonoxid, Sauerstoff und dann Methan.
  4. 4. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter (5) Verwendung findet, um vor dem Analysieren der Probe Teilchen auszufiltern.
  5. 5. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasprobensonde an der Eingangsöffnung entfernbar befestigt ist.
  6. 6. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er Signalausgänge umfaßt, um Ausgangssignale für jede Gaskonzentration zu übertragen, und daß die Ausgangssignale so ausgelegt sind, daß sie einem elektronischen Bergwerksüberwachungs-System zugeführt werden können.
  7. 7. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er durch eine Batterie betrieben ist und daß er eine Spannungsstabil isation umfaßt.
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