DE3637218A1 - Verfahren zum kontinuierlichen erfassen des feuchtegehaltes von gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Erfassen des Feuchtegehaltes von Gasen, insbesondere von Rauchgasen, mit sich ändernder Zusammensetzung unter Verwendung eines Zirkon-Elementes.

Es ist bekannt, Zirkon-Meßelemente zum Messen des Feuchtegehaltes eines Gases mit, bis auf den Feuchtegehalt selbst, gleichbleibender Zusammensetzung, d. h. gleichbleibender Sauerstoffkonzentration einzusetzen. Zirkon-Meßelemente bestehen im wesentlichen aus von zwei beheizten Platinelektroden, der Referenzelektrode und der Meßelektrode, eingefaßter Zirkonkeramik. Bei der Verwendung als Feuchte-Messer wird die Eigenschaft von Zirkon-Keramik genutzt, sich bei hoher Temperatur gegenüber Sauerstoffionen wie ein fester Elektrolyt zu verhalten. Weisen die jeweils an der Meß- bzw. der Referenzelektrode vorbeigeführten Gase unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke auf, so baut sich zwischen beiden Elektroden eine entsprechende elektrische Spannung auf, für die gemäß der Nernst′schen Gleichung die Beziehung gilt

Dabei bedeuten:
E:die elektrische Spannung y:die Sauerstoffkonzentration (Vol-%-O₂) an der Meßelektrode a:die Sauerstoffkonzentration (Vol-%-O₂) an der Referenzelektrode R:Gaskonstante T:Absolute Temperatur n:n = 4 (Wertigkeit des Sauerstoffmoleküls) F:Faraday′sche Konstante

Wird die eine Elektrode mit einem Referenzgas mit definiertem O₂-Gehalt, z. B. Luft mit 21 Vol-%-O₂, und die zweite Elektrode mit einem Meßgas beaufschlagt, stellt die zwischen den Elektroden gemessene Spannung unmittelbar ein Maß für die Sauerstoffkonzentration des Meßgases dar. Ändert sich, bei sonst gleichbleibender Zusammensetzung, der Feuchtegehalt des Meßgases, so ändert sich aufgrund der geänderten volumetrischen Zusammensetzung auch die Sauerstoffkonzentration des Meßgases und damit die zwischen den Elektroden gemessene Spannung. Die Spannungsänderung ist demnach ein Maß für die Änderung des Feuchtegehaltes im Meßgas bzw. bei entsprechendem Abgleich der Meßschaltung für dessen Feuchtegehalt selbst.

Zur Bestimmung des Feuchtegehaltes von Gasen mit sich ändernder Zusammensetzung, deren Sauerstoffkonzentration also nicht ausschließlich durch den Feuchtegehalt, sondern auch durch Änderung der Volumenanteile weiterer Gaskomponenten beeinflußt wird, können Zirkon-Elemente jedoch nicht ohne weiteres eingesetzt werden.

Ein solches Gas mit sich ständig ändernder Zusammensetzung bzw. Sauerstoffkonzentration stellt z. B. Rauchgas aus Feuerungsanlagen dar. Für die Ermittlung und Überwachung der im Rauchgas enthaltenen Schadstoffkonzentration ist jedoch die Kenntnis des Feuchtegehaltes zur Bestimmung des Normvolumens notwendig. Bisher wurde bei der Bestimmung des Normvolumens des Rauchgases der Feuchtegehalt aufgrund der Verbrennungsstöchiometrie als konstant eingerechnet. Dabei wurden Fehler von bis zu 10% in Kauf genommen.

Zur Einhaltung der neuen, durch das Immissionsschutzgesetz vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte ist es jedoch notwendig geworden, die Rauchgasfeuchte kontinuierlich schnell und exakt zu erfassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches Verfahren zum Erfassen des Feuchtegehaltes von Gasen anzugeben, das sich auch zur exakten und kontinuierlichen Erfassung von Gasen mit sich ändernder Zusammensetzung, insbesondere auch von Rauchgasen, eignet.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus dem Meßgasstrom kontinuierlich Meßgas abgezweigt, getrocknet und das getrocknete Meßgas als Referenzgas verwendet wird.

Mit dem getrockneten Meßgas steht ein Referenzgas zur Verfügung, dessen Zusammensetzung zu jedem Zeitpunkt, bis eben auf den Feuchtegehalt, der Zusammensetzung des Meßgases entspricht. Durch die Differenz der Sauerstoffpartialdrücke bzw. durch die Elektrodenspannung ist damit unmittelbar der Feuchtegehalt des unbehandelten Meßgases bestimmt. Eine Änderung der Volumenanteile der übrigen Gaskomponenten hat keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Es ist also nicht mehr notwendig, die Sauerstoffkonzentration selbst des Referenzgases zu kennen.

Für die Bestimmung der Feuchte im Meßgas gilt demnach folgende Beziehung:

Dabei bedeuten:

^MB H₂O:Meßwert der Feuchtekonzentration in Vol-% C:Fertigungsbedingtes Asymmetrie-Potential

Das Referenzgas muß nicht absolut trocken sein. Es genügt vielmehr, das Referenzgas bis auf eine definierte Restfeuchte zu trocknen, die dann schaltungstechnisch kompensiert werden kann. Zweckmäßigerweise erfolgt der Feuchteentzug durch Abkühlung des Referenzgases auf eine Taupunkttemperatur, bei der die Sättigung des Referenzgases nicht mehr von der Gaszusammensetzung abhängt, das Referenzgas also eine definierte, bekannte Restfeuchte aufweist. Bei Rauchgasen beispielsweise ist eine Abkühlung auf ca. 2°C zweckmäßig.

Die Restfeuchte des Referenzgases ist konstant und kann nach folgender Gleichung ermittelt werden:

Dabei bedeuten:

v:Volumenkonzentration in Vol-%c:Sättigungsgehalt bei 2°C, fs = 5,56 g/m³T:Absolute TemperaturP:Druck (Torr)M:Molekulargewicht H₂O = 18,015

Die Kalibrierung der Meßeinrichtung erfolgt mit trockenem Prüfgas, wobei die volumetrische Zusammensetzung der Sauerstoffkonzentration in Stickstoff ein definiertes Maß des Feuchtegehaltes darstellt und nach folgender Beziehung ermittelt wird:

Dabei bedeutet:
MB _Feuchte : Meßbereichsendwert der zu messenden Feuchte in Vol-%

Anhand der in der Figur beispielhaft dargestellten Meßschaltung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Zur Bestimmung des Feuchtegehaltes eines zu prüfenden Meßgases wird unbehandeltes Meßgas über einen Anschluß 7 an einer Meßelektrode 5 eines Zirkon-Feuchtesensors 1 vorbeigeführt. Von dem Meßgas wird ein Teilstrom über Leitung 8 abgezweigt, dem in einem Gaskühler 9 durch Abkühlung beispielsweise auf 2°C die Feuchte, bis auf die bekannte, der Temperatur von 2°C entsprechende Restfeuchte, entzogen wird. Das so getrocknete Gas wird über Leitung 10, Ventil 13 und Leitung 16 als Referenzgas an einer Referenzelektrode 6 des Feuchtesensors 1 vorbeigeführt. Die an den Elektroden 5, 6 sich aufbauende Spannung wird über einen Meßverstärker 2 auf ein Anzeigegerät 6, dessen Skala unmittelbar Vol-%-Feuchte anzeigt, geschaltet. Der Elektrodenspannung wird im Meßverstärker 2 bei "Ein"-Stellung eines Schalters 4 eine konstante Spannung zur Kompensation der Restfeuchte des Referenzgases aufgeschaltet. Während des normalen Meßvorganges sind die Ventile 11, 12 und 15 geschlossen.

Zum Prüfen bzw. Kalibrieren der Meßanordnung wird der Meßelektrode bei geöffnetem Ventil 11 über Leitung 14 ein Prüfgas mit definierter Feuchte zugeführt. Als Referenzgas dient dabei Luft mit definiertem O₂-Gehalt von 21%, die der Referenzelektrode 6 über Leitung 16 bei geöffnetem Ventil 12 zugeführt wird. Die Ventile 13, 15 sind geschlossen, der Schalter 4 auf "Aus"-Stellung.

Zur Nullpunktskontrolle werden beide Elektroden 5, 6 mit Luft beaufschlagt. Die Ventile 13 und 11 sind geschlossen, die Ventile 12 und 15 offen. Bei eingeschalteter Luftpumpe 17 wird Luft über Leitung 16 zur Referenzelektrode 6 und über Leitungen 18, 14 zur Meßelektrode 5 geleitet. Da beiden Elektroden 5, 6 exakt gleiches Gas zugeführt wird, kann an den Elektroden 5, 6 bei dieser Schaltung keine Spannung auftreten, außer dem fertigungsbedingten Asymmetrie-Potential, das bei der Kalibrierung berücksichtigt werden muß.

Claims (3)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Erfassen des Feuchtegehaltes von Gasen, insbesondere von Rauchgasen, mit sich ändernder Zusammensetzung unter Verwendung eines Zirkon-Meßelementes, dessen eine Elektrode mit Meßgas und dessen zweite Elektrode mit einem Referenzgas beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Meßgasstrom kontinuierlich Meßgas abgezweigt, getrocknet und das getrocknete Meßgas als Referenzgas verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung des Referenzgases durch Abkühlung auf eine vorgegebene Taupunkttemperatur mit definierter Restfeuchte erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taupunkttemperatur 2°C beträgt.