DE3873003T2 - Analyse des sauerstoffgehaltes von gasen in industriellen prozessen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf Verfahren zum Analysieren des Sauerstoffgehaltes von Gasen in industriellen Prozessen.
• Sauerstoffanalysatoren werden in extensiver Weise in industriellen Prozeßsteuerungen verwendet. Bei der Verwendung in solchen Steuerungsanwendungen beinhalten diese Analysatoren typischerweise drei Hauptkomponenten: einen Zirkondioxidsensor, der ein Spannungsausgangssignal erzeugt, das der Sauerstoffkonzentration innerhalb der gerade analysierten Gasprobe entspricht, einen Heizer, um die Temperatur des Sensors auf die erforderliche Betriebstemperatur anzuheben, und einen Heizerregelschaltkreis, um die Sensortemperatur unabhängig von der Umgebung aufrecht zu erhalten. Das US-Patent Nr. US-A-4 005 001 offenbart einen Analysator von dieser Art.
• Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung eines typischen Zirkondioxidsensors für die industrielle Prozeßsteuerung eine Anzahl von inhärenten Nachteilen hat. Beispielsweise erfordert die Anwendung eines solchen Sensors typischerweise die Verwendung vieler zugehöriger Teile, Klemmen bzw. Klammern, Dichtungen und Befestigungen, welche die Montage und/oder erneute Anordnung zu einer schwierigen Aufgabe machen. Zusätzlich hat sich herausgestellt, daß dichte Gasdichtungen nur schwierig (dicht) zu halten sind. Auch die Ausrichtung der Komponenten, welche der Aufbau aufweist, ist schwierig zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Der Zirkondioxidsensor muß in den Gasstrom angeordnet sein und der Heizer und ein Thermoelement müssen mit der Fühlerspitze ausgerichtet sein. Weiterhin hat sich herausgestellt, daß die Lebensdauer des Heizers reduziert wird, dadurch daß das Heizelement korrosiven Gasströmen ausgesetzt wird. Schließlich ist ein komplexer Heizregelschaltkreis erforderlich wegen der geringen Masse des Heizers. Die Temperaturregelung, um Abweichungen des Sensorausgangswertes zu vermeiden, ist kritisch.
• Es ist deshalb wünschenswert geworden, ein vereinfachtes System für das Analysieren des Sauerstoffgehaltes von Gas zu entwickeln, das in einem industriellen Prozeß verwendet wird. Ein solches vereinfachtes System sollte die kritischen Merkmale der Regelung der Heizertemperatur in dem Sensor minimieren.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung für das Analysieren des Sauerstoffgehaltes von Gas in einem industriellen Prozeß vorgesehen, wobei die Vorrichtung aufweist:
• einen Analysatorverteiler, der einen Sauerstoffsensor hat, welcher dem Verteiler funktionsgerecht zugeordnet ist,
• eine Einrichtung für das Richten einer Gasprobe aus dem industriellen Prozeß auf den Analysatorverteiler und über das Sensorelement des Sauerstoffsensors hinweg,
• eine elektrische Heizeinrichtung, um das Sensorelement innerhalb eines gewünschten Betriebstemperaturbereiches zu halten, und
• eine Stromquelle, welche an die elektrische Heizeinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• der Sauerstoffsensor ein Sauerstoffsensor vom Autotyp, wie z.B. ein Abgas- λ -Sensor ist,
• die elektrische Heizeinrichtung einstückig mit dem Sauerstoffsensor vom Autotyp ist und eine nominelle Spannung (Nennspannung) von etwa 12 bis 14 Volt hat, und
• daß die an das integrale Heizelement angelegte Spannung höher als die Nennspannung ist und der diesem zugeführte Strom während des Kaltstartes begrenzt ist, um die Lebensdauer des Sensors zu verlängern.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im folgenden noch genauer beschrieben werden soll, löst die Probleme, die mit den früher vorgeschlagenen Sensoren verknüpft waren und auch andere Probleme, indem sie einen Sauerstoffsensor vom Autotyp (Kfz-Sensor), wie z.B. einem Abgas- λ -Sensor (λ- Sonde) anstelle des teuren Zirkondioxidsensors verwendet, der typischerweise benutzt wird, um den Sauerstoffgehalt eines Gases in einem industriellen Prozeß zu bestimmen. Die Verwendung eines solchen Sauerstoffsensors vom Autotyp erfordert eine höhere Betriebstemperatur als sie normalerweise für einen Zirkondioxidsensor erforderlich ist, jedoch ist die Temperatur des Sensorheizers nicht annähernd so kritisch. Eine solche höhere Betriebstemperatur wird erreicht durch Anlegen einer höheren Versorgungsspannung an den Sensorheizer, als sie typischerweise verwendet wird, und durch Verwendung eines Strombegrenzungsschaltkreises in Verbindung mit der höheren Versorgungsspannung. Die Verwendung einer höheren Versorgungsspannung verringert die Lebensdauer des Heizers nicht, da die Stromwerte tatsächlich geringer sind als die, die man erfahrungsgemäß mit einer niedrigeren Versorgungsspannung hat.
• Die Erfindung wird jetzt anhand eines veranschaulichenden und nicht beschränkenden Beispiels unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, von welchen:
• Figur 1 ein schematisches Diagramm ist, welches die Verwendung eines Sauerstoffsensors vom Autotyp in Verbindung mit einer zugehörigen Stromversorgung zeigt für die Analyse des Sauerstoffgehaltes von Gas in einem industriellen Prozeß, und
• Figur 2 ist ein schematisches elektrisches Schaltkreisdiagramm der Stromversorgung für einen Sauerstoffsensor vom Autotyp, wie z.B. den in Figur 1 dargestellten.
• Es wird jetzt auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei Figur 1 ein schematisches Diagramm eines Systems 10 für die Analyse des Sauerstoffgehaltes von Gas in einem industriellen Prozeß ist, unter Verwendung eines Sauerstoffsensors 20 vom Autotyp, einschließlich eines Sensorelementes 18.
• Der Sauerstoffsensor 20 vom Autotyp ist ein sogenannter λ- Sensor (λ-Sonde) wie z.B. eine Bosch (Warenzeichen) Abgas- λ - Sonde. Diese Art von Sensor hat einen Gewindeabschnitt ähnlich dem einer Zündkerze für ein einfaches Einsetzen und Herausnehmen. Eine Luftelektrode ist innerhalb des Rohres vorgesehen, an einer Seite abgeschlossen. Eine katalytisch aktive Elektrode auf der Abgasseite ist vor allem verantwortlich für die korrekte Funktion und die charakteristische Kurve (Kennlinie). Sie schließt ein mehrschichtiges System ein, welches eine mikroporöse, vakuumbeschichtete Platinschicht und eine sehr poröse Keramikschicht enthält.
• In dem System 10 wird eine Gasprobe aus dem überwachten industriellen Prozeß durch eine Probensonde 12 abgezogen. Das Abziehen dieser Probe wird typischerweise bewerkstelligt durch Verwendung eines luftgetriebenen Saugapparates (nicht dargestellt) innerhalb des Sauerstoffanalysators. Die Gasprobe wird durch einen Durchgang 14 in einem Analysatorverteiler 16 hindurch und über das Sensorelement 18 geleitet und wird in den Gasstrom des industriellen Prozesses ausgestoßen. Der Analysatorverteiler 16 wird so geregelt, daß er sich auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur oberhalb des Taupunktes des Gasstromes befindet, typischerweise bei 300ºF bis 600ºF (149ºC bis 316ºC). Die geregelte Verteilertemperatur stellt eine im wesentlichen konstante Umgebungstemperatur für den Sauerstoffsensor 20 vom Autotyp bereit. Der Analysatorverteiler 16 wird durch einen oder mehrere Heizer 22 geheizt und durch ein Temperaturfühlerelement 24 kontrolliert bzw. geregelt, welches mit einem Temperaturregelschaltkreis 26 verbunden ist. Ein integraler bzw. integrierter Heizer (nicht dargestellt) innerhalb des Sauerstoffsensors 20 vom Autotyp ist mit einer Stromquelle 30 verbunden, welche so eingestellt ist, daß sie die gewünschte Betriebstemperatur an dem Sensorelement 18 des Sauerstoffsensors 20 vom Autotyp bereitstellt. Die Betriebstemperatur des Sensorelementes 18 hängt von dem Prozeß ab, der überwacht wird, liegt jedoch typischerweise zwischen 1300ºF und 1500ºC (704ºC und 816ºC).
• Wenn der Sauerstoffsensor 20 vom Autotyp verwendet wird, ist die Temperatur des Sensorelementes 18 nicht kritisch (keine kritische Größe), da der Sensor nur als ein Schalter bei oder in der Nähe von stöchiometrischen Bedingungen (Überschußluftfaktor λ = 1) verwendet wird. Das Umschalten tritt auf im Bereich von 200 bis 500 Millivolt Ausgangsspannung und kann zuverlässig irgendwo oberhalb 350ºC funktionieren. Die Analyse des industriellen Prozesses für den Prozentsatz des Sauerstoffgehaltes erfordert genaue Messungen oberhalb des λ = 1 Regelbereiches bishin zu 100 % Luftüberschuß. Eine höhere Betriebstemperatur ist erforderlich, um die Gleichstromausgangsspannung im Millivoltbereich anzuheben bis auf eine verwertbare Spanne über diesen Bereich und auch um die Wirkung von störenden bzw. dazwischentretenden Gasen wie z.B. Schwefeldioxid zu minimieren. Diese höhere Betriebstemperatur wird erreicht durch Anlegen einer höheren Versorgungsspannung an den Heizer in dem Sauerstoffsensor 20 vom Autotyp, während der (zugeführte Strom) begrenzt wird. Eine solche höhere Versorgungsspannung wird durch die Stromversorgung 30 bereitgestellt, wie im folgenden beschrieben.
• Es wird jetzt auf Figur 2 Bezug genommen, welche ein Diagramm eines elektrischen Schaltkreises der Stromquelle 30 ist, wobei diese Stromquelle typischerweise die Netzenergie (den Netzstrom) von 120 Volt Wechselstrom bei 50/60 Hz auf das 18 Volt Gleichstromniveau bei 1 Ampere umsetzt, was für den Heizer in dem Sauerstoffsensor 20 vom Autotyp erforderlich ist. Die Stromversorgung begrenzt auch den dem Heizer unter Kaltstartbedingungen zugeführten Strom. Die Stromversorgung 30 weist einen Transformator 32 auf, welcher den 120 Volt Wechselstromnetzeingang auf eine Spannung umsetzt, die etwas größer als die typischerweise durch den Sensorheizer verwendete Spannung ist. Ein Brückengleichrichter 34 und ein Kondensator 36 setzen den Wechselstromausgang des Transformators 32 in eine Gleichspannung um, die einem Spannungsregler 36 zugeführt wird, der seinerseits die Gleichspannung auf ein Niveau einregelt, das durch eine Reihe von Widerständen 40, 42 und 44 bestimmt wird. Ein Kondensator 46 ist über die Reihenkombination der Widerstände 40, 42 und 44 gelegt, um ein zusätzliches Filtern und eine Stabilität des Schaltkreises bereitzustellen. Die Kombination von Widerständen 40, 42 und 44 erlaubt es, daß die Spannung des Schaltkreises entsprechend den Installationserfordernissen verändert wird.
• Während des normalen Betriebes stellt die Spannungs- bzw. Stromquelle 30 die nominelle 18 Volt Gleichspannung und 1 Ampere Strom bereit, welche für den Sensorheizer erforderlich sind. Während der Kaltstartbedingungen verändert ein Strombegrenzungsmechanismus, der ein integraler Teil des Spannungsreglers 38 ist, die Ausgangs spannung der Stromquelle 30 so, daß der Maximalstrom durch den Sensorheizer näherungsweise 2,2 Ampere nicht übersteigt.
• Die Kontrolle bzw. Regelung der Sensorheizerspannung durch die Ausgangsspannung der Stromquelle 30 gewährleistet mehrere herausgehobene Vorteile. Zunächst wird die Heizerspannung viel enger bzw. genauer geregelt als in typischen Anwendungen für Kfz, so daß die Messung der Sauerstoffkonzentration hierdurch beträchtlich genauer wird. Zusätzlich ist die Spannung, die dem Heizer zugeführt wird, etwas höher als die nominellen 12 bis 14 Volt, die typischerweise bei einer Kfz-Anwendung verwendet werden, was es ermöglicht, daß der Heizer eine höhere Betriebstemperatur erreicht und damit erlaubt, daß der Sauerstoffsensor vom Autotyp in der Anwendung auf eine industrielle Prozeßsteuerung verwendet werden kann. Schließlich verringert die Strombegrenzungsfähigkeit der Stromquelle die Belastung des Sensorheizers während der Kaltstartbedingungen.
• Die Möglichkeit, einen Sauerstoffsensor vom Kfz-Typ in der Anwendung auf eine industrielle Prozeßsteuerung zu verwenden, stellt mehrere inhärente Vorteile bereit. Beispielsweise wird der Sauerstoffsensor 20 direkt in den Analysatorverteiler 16 eingeschraubt und dichtet allein mit einer Haltedichtung vom Zündkerzentyp. Bezüglich eines getrennten Heizers, eines Thermoelementes oder Gasstromes ist keine Ausrichtung erforderlich, wie sie typischerweise für die derzeitigen industriellen Sauerstoffanalysatoren erforderlich sind. Unter Verwendung des Sauerstoffsensors vom Autotyp wird das integrierte interne Heizelement nicht den korrosiven Prozeßgasen ausgesetzt, so daß damit die Lebensdauer des Heizers verlängert wird. Der positive Temperaturkoeffizient des Heizerelementes, welches in dem Sauerstoffsensor vom Autotyp verwendet wird, hilft mit bei der Strombegrenzung des Heizers, während dieser sich der Betriebstemperatur annähert. Die Strombegrenzung des Heizerversorgungsschaltkreises stellt einen Stromschutz beim Kaltstart bereit und ermöglicht damit einen Betrieb mit höherer Spannung (typischerweise 18 Volt Gleichspannung) als bei Anwendungen für Kfz (typischerweise 13,5 Volt Gleichspannung). Dies erfordert seinerseits weniger Kontrolle der Umgebungstemperatur (typischerweise 300ºF (149ºC)) für den Analysatorverteiler, um die erforderliche Betriebstemperatur für den Heizer zu erreichen. Die Temperaturregelung der größeren Masse, der niedrigeren Temperatur des Analysatorverteilers anstelle des kleinen Sensorheizers vereinfacht den Heizerregelschaltkreis. Schließlich verringert die robustere Ausgestaltung des Sauerstoffsensors vom Autotyp die Möglichkeit des Ausfalls beträchtlich.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Analysieren des Sauerstoffgehaltes von Gas in einem industriellen Prozeß, wobei die Vorrichtung (10) aufweist:

einen Analysatorverteiler (16), der einen Sauerstoffsensor (20) hat, der funktionell mit jenem verknüpft ist,

Einrichtungen (12, 14), um eine Gasprobe aus dem industriellen Prozeß zu dem Analysatorverteiler (16) zu lenken und über ein Sensorelement (18) des Sauerstoffsensors (20) hinweg,

elektrische Heizeinrichtungen, um das Sensorelement (18) innerhalb eines gewünschten Betriebstemperaturbereiches zu halten, und

eine Stromversorgung (30), die mit der elektrischen Heizeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

der Sauerstoffsensor ein Sauerstoffsensor (20) vom Autotyp ist, wie z.B. ein Abgas-λ-Sensor,

die elektrische Heizeinrichtung einstückig mit dem Sauerstoffsensor (20) vom Autotyp ist und eine nominelle Spannung hat, die bei 12 bis 14 Volt liegt, und

daß die Stromversorgung (30) so betreibbar ist, daß ihre Ausgangsspannung reguliert werden kann, die der integrierten elektrischen Heizeinrichtung mit einem Wert zugeführt wird, der höher ist als der nominelle Spannungsbereich, und so, daß der der integrierten elektrischen Heizeinrichtung während eines Kaltstartes zugeführte Strom begrenzt wird, um die Belastung der integrierten elektrischen Heizeinrichtung zu reduzieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche aufweist:

Einrichtungen (24), um die Temperatur des Analysatorverteilers (16) zu erfassen, und

Einrichtungen (26), um die Temperatur des Analysatorverteilers (16) auf eine im wesentlichen konstante Temperatur oberhalb der Taupunkttemperatur der Gasprobe zu regeln.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die im wesentlichen konstante Temperatur, bei welcher der Analysatorverteiler (16) gehalten wird, zwischen 700ºC und 820ºC liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die von der Stromversorgung (30) der integrierten Heizeinrichtung zugeführte Spannung 18 Volt Gleichspannung ist und daß der Stromwert 1 Ampère beträgt, und zwar während des Normalbetriebes.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Maximalstrom durch die integrierte elektrische Heizeinrichtung begrenzt ist, so daß er näherungsweise 2,2 Ampère unter Kaltstartbedingungen nicht überschreitet.

6. Verfahren zum Analysieren des Sauerstoffgehaltes eines Gases in einem industriellen Prozeß, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Anordnen eines Sauerstoffsensors (20), der ein Sensorelement (18) hat, in einem Analysatorverteiler (16),

Halten des Sensorelementes (18) innerhalb eines gewünschten Betriebstemperaturbereiches durch Anlegen einer Spannung an einem Heizelement, und

Lenken einer Gasprobe aus dem industriellen Prozeß durch den Analysatorverteiler (16) zu dem Sensorelement (18), um von dort ein Signal zu erhalten, welches eine Anzeige für den Sauerstoffgehalt der Gasprobe ist, dadurch gekennzeichnet, daß

der Sauerstoffsensor ein Sauerstoffsensor (20) vom Autotyp, wie z.B. ein Abgas-λ-Sensor ist,

das elektrische Heizelement einstückig mit dem Sauerstoffsensor (20) vom Autotyp ist und einen normalen Spannungsbereich von 12 bis 14 Volt hat, und

daß die an das einstückige Heizelement angelegte Spannung größer ist als der nominale Spannungsbereich und daß der zugeführte Strom während des Kaltstartvorganges begrenzt ist auf die Lebensauer des Sensors (20).

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der gewünschte Temperaturbereich des Sensorelementes (18) zwischen etwa 700ºC und 820ºC liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Temperatur des Analysatorverteilers (14) auf im wesentlichen kontantem Temperaturniveau oberhalb der Tautemperatur der Gasprobe gehalten werden kann.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die an das integrierte Heizelement des Sauerstoffsensors (20) vom Autotyp angelegte Spannung 18 Volt DC beträgt und daß der Stromwert während des Normalbetriebes 1 Ampère beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Maximalstrom durch das integrierte Heizelement so begrenzt ist, daß er näherungsweise 2,2 Ampère während des Kaltstart-Zustandes nicht übersteigt.