DE3716992A1 - Verfahren zur messung brennbarer gasanteile niedriger konzentration in grubenwettern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung brennbarer Gasanteile niedriger Konzentration in Grubenwettern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Analyse von Luftproben auf geringe Konzentra­ tionen an Spurengasen erfolgt heute üblicherweise mit Gaschromatografen. Diese bekannten Meßeinrich­ tungen stehen sowohl als Labormeßgeräte als auch als tragbare Geräte für Feldmessungen zur Verfügung. Dabei wird eine Gasprobe mit Hilfe eines Trägergases durch eine gaschromatografische Säule gedrückt. Infolge der unterschiedlichen Laufzeiten der einzelnen Gaskomponenten (unterschiedliche Retentionszeiten) gelangen die einzelnen Gaskompo­ nenten zu unterschiedlichen Zeiten in den hinter die Säule geschalteten Detektor. Dabei werden als Detektoren oder Sensoren die unterschied­ lichsten Ausführungen benutzt wie z. B. Wärme­ leitfähigkeitsdetektoren, Flammenionisations­ detektoren, Elektroneneinfangdetektoren oder Fotoionsationsdetektoren.

Kombiniert man derartige gaschromatografische Säulen mit den geeigneten Detektoren, so läßt sich eine Vielzahl von Stoffen nachweisen.

Für den Steinkohlenbergbau unter Tage sind die oben angeführten Sensoren jedoch nicht geeignet, da sie entweder zu unempfindlich sind, wie der Wärmeleitfähigkeitsdetektor oder aber sie sind nicht eigensicher oder zu unempfindlich gegen Wasserstoff, wie der Flammenionsationsdetektor oder der Elektroneneinfangdetektor. Ebenfalls nicht eigensicher und darüber hinaus noch von begrenzter Lebensdauer ist der Fotoionisations­ detektor.

Der größte Nachteil der bisher bekannten Gas­ chromatografen liegt jedoch darin, daß zur Durch­ führung der Messung immer ein Trägergas, in der Regel synthetische Luft, Stickstoff oder Helium benötigt wird, das in Druckbehältern an der Meßstelle bereitgestellt werden muß. Ein Dauer­ betrieb ist dabei nur möglich, wenn die Druckgas­ flasche in regelmäßigen Abständen gewechselt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das auf Druckgas verzichtet und welches nicht auf Sensoren angewiesen ist, die für den Steinkohlen­ bergbau ungeeignet sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dadurch, daß das zu untersuchende Gas einem kataly­ tisch wirksamen Element zugeführt wird, wird ein Teil der in der zu analysierenden Gasprobe vor­ handenen brennbaren Gase und Dämpfe auf katalyti­ schem Wege verbrannt. Dadurch erhält man infolge der kurzzeitigen periodischen Aufheizung des katalytisch wirksamen Elements eine Konzentrations­ änderung. Dieses Gasgemisch wird mit Hilfe der Pumpe durch die gaschromatografische Säule gesaugt, in der die einzelnen Gaskomponenten voneinander getrennt werden. Nacheinander gelangen diese Gaskomponenten auf den Detektor, der ein Meßsignal erzeugt, welches proportional zur Änderung der Gaskonzentration ist, die sich durch die periodische Aufheizung des katalytisch wirksamen Elementes ergibt. Dieses Signal wird einer Auswerte­ elektronik zugeführt, in der das Meßsignal verstärkt und angezeigt oder gespeichert wird.

Mit Hilfe dieser Methode kann auf ein Trägergas der bekannten Art verzichtet werden. Gasflaschen­ wechsel entfällt, so daß ein Dauerbetrieb möglich ist.

Sofern die Trennung einzelner Gase, wie H₂, CO, CH₄ durch die gaschromatografische Säule nicht ausreicht, ist gemäß Anspruch 2 zusätzlich eine selektive Messung einzelner Gaskomponenten durch geeignete Wahl der Temperatur sowohl des Sensors im Detektor als auch des katalytisch wirksamen Elements möglich. Hierbei ergibt sich folgender Verfahrensablauf: Zunächst wird die Ansaugpumpe eine Zeit lang eingeschaltet, die auf ein Puffervolumen wirkt. Nach einer Wartezeit zum Druckausgleich wird ein Triggersignal auf den Meßwertausgang geschaltet zur Synchronisation nachgeschalteter Auswerterechner. Anschließend wird das katalytisch wirksame Element für eine kurze Zeit eingeschaltet. In dieser Zeit wird die Konzentration der brennbaren Bestandteile durch Verbrennen an dem katalytisch wirksamen Element erniedrigt. Während der folgenden Meßzeit erfolgt die Trennung der einzelnen Gaskomponenten in der gaschromatografischen Säule und die Auswer­ tung der einzelnen Peaks aus dem Meßsignal des Detektors. Nach Ablauf der Meßzeit kann das katalytisch wirksame Element ein zweites Mal jedoch mit verringertem Heizstrom eingeschaltet werden, so daß die Temperatur entsprechend niedriger ist und nur Gaskomponenten wie CO und H₂ an der Katalysatoroberfläche mit dem Luft­ sauerstoff reagieren können, Methan jedoch nicht. Der zeitliche Ablauf der zweiten Messung entspricht ansonsten der ersten Messung. Am Ende der jeweiligen Meßzeit erfolgt eine Kompensation der mittleren elektrischen Leitfähigkeit des Detektors, welcher vorzugsweise ein Metalloxidhalbleiter ist, durch den Mikrocomputer über einen Digital-Analog- Wandler, um eine Übersteuerung der Eingangs­ schaltung zu vermeiden und um Änderungen des Meßsignals durch langsame Änderungen der Sensoreigenschaften (Drift) auszugleichen.

Die Steuerung des Zeitablaufs der Messung erfolgt zweckmäßigerweise mit einem Mikrocomputer, wie es das Merkmal des Anspruchs 5 vorschlägt. Dieser Mikrocomputer schaltet die Ansaugpumpe sowie die Heizwendel des katalytisch wirksamen Elementes. Dieses katalytisch wirksame Element ist gemäß Anspruch 7 ein Wärmetönungssensor (Pellistor).

Eine weitere Aufgabe des Mikrocomputers ist es, eine Empfindlichkeitskorrektur vorzunehmen und zu verhindern, daß der Verstärker übersteuert wird. Das geschieht mit Hilfe eines Digital- Analog-Wandlers.

Darüber hinaus kann mit Hilfe des eingebauten Mikrocomputers eine Vorauswertung der Meßsignale erfolgen (z. B. Bestimmung der Peakmaxima bzw. -flächen, Kalibrierung, Grenzsignalbildung, Linearisierung der Prüfkurven).

Schließlich schlägt der Anspruch 8 vor, dem katalytisch wirksamen Element eine Filtereinrichtung vorzuschalten und zwischen Detektor und Pumpe ein Puffervolumen und ein Rückschlagventil anzuordnen. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Pumpe im Interesse einer größeren Lebensdauer nur kurzzeitig eingeschaltet werden muß.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen dargestellt und näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 schematischer Aufbau der Vorrichtung mit daran angeschlossener Auswerteschaltung,

Fig. 2 grafische Darstellung der Konzentration der brennbaren Bestandteile im Gasgemisch als Funktion der Einschaltdauer des katalytischen Elementes und der Retentionszeit,

Fig. 3 grafische Darstellung des zeitlichen Meß­ ablaufes.

In der Fig. 1 ist die Meßvorrichtung allgemein mit dem Bezugszeichen (1) versehen. Sie besteht aus einem Wärmetönungs-Pellistor (2) als katalytisch wirksames Element, welches über eine Rohrleitung mit einer gaschromatografischen Säule (3) verbunden ist, an die sich als Detektor (4) ein Metalloxid­ sensor anschließt. Vor den Pellistor (2) ist in die Leitung sowohl ein Grob- als auch ein Fein­ staubfilter (5 und 6) eingebaut. Hinter dem Detektor (4) zweigt von der Leitung eine Leitung (7) ab, welche in einen Behälter (8) mündet. Dieser Behälter (8) dient als Puffervolumen. In der Leitung hinter diesem Puffervolumen ist ein Rückschlagventil (9) angeordnet, welches einen Rückstrom über die Pumpe verhindern soll. Zum Transport des Gases durch die Vorrichtung ist in die Leitung eine Pumpe (10) eingebaut, die das zu analysierende Gas ansaugt und das analysierte Gas durch den Auslaß (11) an die Umgebung abgibt. Im Detektor (4) wird ein Meßsignal gebildet, welches über einen Wechsel­ stromverstärker (12) und über eine Übertragungs­ leitung (13) zu einem Schreiber (14) und über einen Analog-Digital-Wandler (15) einem Auswerterechner (16) übertragen wird. Gleichzeitig wird das ver­ stärkte Meßsignal über einen weiteren Analog- Digital-Wandler (17) einem Mikrocomputer (18) zugeführt, der mit einem Anzeigegerät (19) verbunden ist. Der Mikrocomputer (18) sorgt auch für die Steuerung des Zeitablaufes der Messung und schaltet sowohl die Ansaugpumpe (10) als auch die Heizwendel des Pellistors ein. Weiterhin nimmt er eine Empfindlichkeitskorrektur des Sensors vor und verhindert, daß der Verstärker (12) übersteuert wird. Dies geschieht mit Hilfe eines weiteren Digital-Analog-Wandlers (20). Die Empfindlichkeits­ korrektur geschieht am Ende der jeweiligen Meßzeit. Es erfolgt eine Kompensation der mittleren elek­ trischen Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters durch den Mikrocomputer über den Digital-Analog- Wandler (20), um eine Übersteuerung der Eingangs­ schaltung zu verhindern.

Darüber hinaus kann mit Hilfe des Mikrocomputers (18) eine Vorauswertung der Meßsignale erfolgen (z. B. Bestimmung der Peakmaxima bzw. -flächen, Kalibrierung, Grenzsignalbildung, Linearisierung der Prüfkurven).

Die Fig. 2 zeigt in grafischer Darstellung die Trennung einzelner Bestandteile im Gasgemisch wobei über der Zeit die jeweilige Konzentration der brennbaren Bestandteile dargestellt ist. Σ C _i ist die Summe der Konzentrationen der einzelnen brennbaren Bestandteile im Gasgemisch, t _Rn ist die Retentionszeit der n-ten Gaskomponente des Gemisches in der gaschromatografischen Säule. Wie aus der Darstellung gemäß Fig. 2 und Fig. 3 hervorgeht, wird zunächst die Ansaugpumpe (10) für etwa 20 Sekunden eingeschaltet. Nach einer Wartezeit zum Druckausgleich wird ein Triggersignal (21) auf den Meßwertausgang geschaltet zur Synchronisation nachgeschalteter Auswerterechner (16). Anschließend wird der Pellistor (2) für 10 Sekunden eingeschaltet. In dieser Zeit wird die Konzentration der brennbaren Bestandteile durch Verbrennen an dem katalytisch wirksamen Wärmetönungs-Pellistor (2) erniedrigt. Während der folgenden Meßzeit erfolgt die Trennung der einzelnen Gaskomponenten in der gaschromato­ grafischen Säule und die Auswertung der einzelnen Peaks aus dem Meßsignal des Metalloxidsensors (4) (siehe Fig. 2). Nach Ablauf der Meßzeit von hier 100 Sekunden kann der Pellistor (2) ein zweites Mal mit verringertem Heizstrom eingeschaltet werden (siehe Fig. 3), so daß die Temperatur entsprechend niedriger und nur Gaskomponenten wie CO und H₂ an der Katalysatoroberfläche des Pellistors (2) mit dem Luftsauerstoff reagieren können, Methan jedoch nicht. Der zeitliche Ablauf der zweiten Messung entspricht der ersten Messung. Am Ende der jeweiligen Meßzeit erfolgt die Kompensation der mittleren elektrischen Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters. Der Ablauf der Messung geht aus Fig. 3 hervor, wo die einzelnen Verfahrens­ abläufe wie Messen, Heizstrom An- und Abschalten, die Kompensationsspannung, das Triggersignal sowie das An- und Abschalten der Pumpe einmal gegen die Gesamtzeit und zum anderen gegen die Anzeigezeit aufgetragen sind. Gemäß dem Beispiel aus Fig. 3 beginnt die Anzeige mit dem Einschalten des Heiz­ stroms direkt anschließend an das Abschalten des Triggersignals. Angezeigt wird dabei ein Zyklus bestehend aus einer Messung mit hohem und einer Messung mit niedrigerem Heizstrom.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung brennbarer Gasanteile niedriger Konzentration in Grubenwettern mit Hilfe einer gaschromatografischen Säule, der ein Detektor nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in aufeinander folgend angesaugten Gasproben vor der gaschromatogra­ fischen Säule ein Teil der in der jeweiligen Gasprobe vorhandenen brennbaren Gasanteile mit Hilfe eines periodisch aufzuheizenden katalytisch wirksamen Elementes (2) verbrannt wird, und daß jede Gasprobe in der gaschromato­ grafischen Säule (3) in einzelne Gasbestandteile aufgeteilt wird, die dem Detektor (4) zugeführt werden, der für jede Gasprobe die Konzentrationen der brennbaren Gasanteile ermittelt, wobei elektronisch die Meßwerte erkennbar gemacht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß neben der gaschromatografischen Trennung der brennbaren Gasanteile eine selektive Messung einzelner Gaskomponenten vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur selektiven Messung die Temperaturen des katalytisch wirksamen Elements (2) und des Detektors variiert werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasweg ein katalytisch wirksames Element (2), eine gas­ chromatografische Säule (3), ein Detektor (4) und eine Pumpe (10) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das katalytisch wirksame Element (2) und die Pumpe (10) mit einem Mikrocomputer (18) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (4) mit einem Wechselspannungsverstärker (12) verbunden ist, welcher das verstärkte Detektorsignal sowohl über eine Übertragungsleitung (13) einer Auswerte-/Rechnereinheit (14, 15, 16) als auch über einen Analog-Digital-Wandler (17) dem Mikrocomputer (18) zuführt, an den eine Anzeigevorrichtung (19) angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch wirksame Element (2) ein Wärmetönungssensor (Pellistor) und der Detektor (4) ein Metall­ oxidhalbleiter ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem katalytisch wirksamen Element (2) eine Filtereinrichtung (5, 6) vorgeschaltet ist und zwischen Detektor (4) und Pumpe (10) ein Puffervolumen (8) und ein Rückschlag­ ventil (9) vorgesehen ist.