DE4334336A1

DE4334336A1 - Gasanalysator mit geregelter Meßgaszuführung und dynamischer Probenverdünnung

Info

Publication number: DE4334336A1
Application number: DE4334336A
Authority: DE
Inventors: Melchior Kahl; Friedhelm Dipl Phys Dr Risse
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1993-10-08
Publication date: 1995-05-04
Also published as: US5487312A

Description

Die Erfindung betrifft einen kontinuierlich arbeitenden Gasanalysator mit einem Detektor, der mit einem Meßverstärker verbunden ist, und einer geregelten Meßgas zuführung. Die Meßgaszuführung besteht dabei aus einer Meßgaspumpe am Detek toreingang oder -ausgang; einer ersten Drossel, die dem Detektor in der Meßgas leitung vorgeschaltet ist; einer zweiten Drossel, die der Reihenschaltung von erster Drossel und Detektor als Bypass parallel geschaltet ist; einer dritten Drossel, die in der Meßgasleitung angeordnet ist und dem Verzweigungspunkt der zu der ersten und zweiten Drossel führenden Leitungen seriell vorgeschaltet ist; sowie einem Druck regler, der den Druck an der gemeinsamen Verbindungsstelle der drei Drosseln kon stant hält. Eine Meßgasregelung dieser Art wird in DE 29 32 436 beschrieben.

Gasanalysatoren zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente sind in der Regel auf einen bestimmten Konzentrationsbereich beschränkt, weil die Respons kurve außerhalb dieses Konzentrationsbereichs nicht linear wird oder z. B. in eine Sättigung übergeht. Durch diesen Konzentrationsbereich wird ein sogenannter Standardmeßbreich festgelegt, in dem normalerweise gearbeitet wird. Es sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um den Meßbereich zu erweitern bzw., um Gas konzentrationen außerhalb des Standardmeßbereichs hinreichend genau zu erfassen. In der UV/VIS- oder IR-Spektroskopie kann z. B. die Länge der Küvette verkleinert werden, um die optische Schichtdicke zu verringern. Ferner ist es bekannt, einen sehr hochkonzentrierten Meßgasstrom in definierter Weise zu verdünnen.

So wird in US 3 975 947 ein Regelkreis beschrieben, mit dem kontinuierlich Konzentrationsbestimmungen einer Substanz in einem Probestrom vorgenommen werden können, wobei das Detektorsignal einen Verdünnungsstrom so regelt, daß das Signal einen konstanten Wert annimmt, der wiederum einem vorgegebenen Referenzwert entspricht. Um diesen Referenzwert zu erhalten, muß die zu messende Substanz dem Meßgasstrom noch vor dem Detektor zugeführt werden, falls der Probestrom diese Substanz nicht enthält. Die gesuchte Konzentration kann dann direkt aus der Stellgröße des Reglers abgeleitet werden. Die Zielrichtung des Verfahrens liegt darin, den Detektor während der Messung ständig zu kalibrieren.

In EP 71 132 wird ein Gasanalysator beschrieben, bei dem in einen Hohlraum vor dem Sensor ein meßgasfreies Spülgas mittels einer Pumpe gefördert werden kann, wobei der Sensor mit nachgeschaltetem Meßverstärker zusammen mit der Pumpe als Regelkreis geschaltet ist, der bei einem Schwellwert des Sensorsignals die Pumpe einschaltet und bei noch weiter wachsendem Sensorsignal ihre Förderleistung erhöht. Aufgrund dieser Vorkehrungen kann bei zu hohen Gaskonzentrationen eine Überlastung des elektrochemischen Sensors vermieden werden. Auf die gleiche Art und Weise kann auch prinzipiell ein vorgegebener Standardmeßbereich erweitert werden. Hier setzt die Erfindung an.

Es lag die Aufgabe zugrunde, bei einem kontinuierlich arbeitenden Gasanalysator mit geregelter Zuführung des Meßgases den Standardmeßbereich in der Weise zu erweitern, daß im gesamten erweiterten Meßbereich eine hohe Meßgenauigkeit erzielt werden kann. Diese Anforderung kann mit der in EP 71 132 beschriebenen Meßeinrichtung nicht erfüllt werden.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs beschriebenen kontinuierlich arbeitenden Gasanalysator mit einem vorgeschalteten Drossel-Bypass-System, erfindungsgemäß dadurch gelöst,

a) daß zwischen der ersten und dritten Drossel an der Meßgasleitung eine Verdünnungsgasleitung mit einem Stellventil zur kontinuierlichen Verdünnung des Meßgases mit einem Inertgas angeschlossen ist;
b) daß der Detektor ausgangsseitig über einen Rechner mit einem Verdün nungsregler verbunden ist, der den Inertgasmengenstrom über das Stellventil derart nachregelt, daß das verstärkte Detektorausgangssignal auf einem vorgegebenen Sollwert gehalten wird, wobei mit zunehmender Meßgaskon zentration der Meßgasstrom stärker verdünnt wird, und
c) daß in der Verdünnungsgasleitung ein Durchflußmesser angeordnet ist, dessen Meßsignal zusammen mit dem Detektorsignal in einem mit dem Detektor und dem Verdünnungsregler verbundenen Rechner zum Analysen meßwert verarbeitet wird.

Vorzugsweise setzt die Regelung für die Verdünnung des Meßgases erst ein, wenn das Meßverstärkersignal einen innerhalb des Standardmeßbereichs liegenden, vorge gebenen Schwellwert überschreitet.

Zweckmäßig ist der Querschnitt der dem Detektor vorgeschalteten Drosseln so dimensioniert, daß bei nahezu vollständig geschlossenem Stellventil in der Inert gasleitung das Stellventil des Druckreglers am Detektoreingang nahezu vollständig geöffnet ist. Aufgrund dieser Maßnahme kann eine besonders große Erweiterung des Meßbereichs erreicht werden.

Um zu erreichen, daß der Gasanalysator in einem gewissen Bereich unabhängig vom Eingangsdruck arbeitet, wird die Drosselschaltung vorteilhaft in der Weise modi fiziert, daß in der Meßgasleitung vor der dritten Drossel eine vierte Drossel angeordnet wird und von der Verbindungsstelle dieser beiden Drosseln eine weitere Bypassleitung mit einer fünften Drossel direkt zum Detektorausgang führt. Gleichzeitig wird dabei durch einen an dieser Verbindungstelle angeschlossenen, zusätz lichen Druckregler dafür gesorgt, daß der Druck konstant bleibt.

Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß auch am Detektorausgang ein Druck regler eingebaut ist, um den Detektorausgangsdruck konstant zu halten. Mit dieser zusätzlichen Druckregelung am Ausgang kann die Druck- und Massenstromabhän gigkeit des Gasanalysators kompensiert werden.

Die gleichen Anforderungen können alternativ dadurch erfüllt werden, daß die Meßgaspumpe vor dem Analysator als Druckpumpe angeordnet ist, und daß dem Detektorausgang eine sechste Drossel seriell nachgeschaltet ist.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

- Der Meßbereich kann ohne weiteres um einen Faktor <10 über den Standard meßbereich hinaus erweitert werden, wobei im gesamten erweiterten Meßbereich die gleiche hohe Meßgenauigkeit zur Verfügung steht.
- Der zusätzliche apparative Aufwand für die Meßbereichserweiterung ist relativ gering.
- Wenn der Schwellwert für den Einsatzpunkt der geregelten Meßgasverdün nung relativ niedrig gewählt wird, können auch ohne weiteres brennbare Gase, z. B. Gase der Zone 0, gemessen werden.
- Aufgrund der Meßgasverdünnung kann auch die Standzeit des Gasanalysa tors erhöht werden (geringere Verschmutzung).

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine typische Kalibrierungskurve eines elektrochemischen Sensors ohne (A) und mit dynamischer Meßgasverdünnung (B);

Fig. 2 bis 5 Blockschaltbilder für verschiedene Ausführungen des Gasanalysators mit geregelter Meßgaszuführung und dynamischer Meßgasverdün nung.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst das Meßprinzip bei dynamischer Probenver dünnung erläutert. In dem Diagramm nach Fig. 1 ist das gemessene Detektor ausgangssignal bzw. der Analysenmeßwert eines elektrochemischen Sensors als Funktion der Konzentration des Partialdrucks der untersuchten Gaskomponente aufgetragen. Im Normalfall erhält man eine Kurve, die bei hohen Konzentrationen in eine Sättigung einmündet (Kurve A). Dabei stimmt der Meßwert mit dem Detektor ausgangssignal überein. Als Standardmeßbereich definiert man bei einer solchen Kalibrierungskurve denjenigen Konzentrationsbereich, der mit einer gewünschten vorgegebenen Meßgenauigkeit noch von dem Detektor erfaßt werden kann. Wird dieser Meßbereich überschritten, so werden die Meßfehler aufgrund der geringeren Steigung der Kalibrierungskurve zu groß.

Der Meßbereich kann über den Standardbereich bei gleichbleibender Meßgenauig keit erheblich erweitert werden, wenn oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts der Gaskonzentration das Meßgas mit einem inerten Gas derart verdünnt wird, daß die Gaskonzentration am Detektor des Gasanalysators konstant bleibt. Zu diesem Zweck wird das Detektorausgangssignal einem Regelkreis zugeführt, der dafür sorgt, daß das Meßgas oberhalb des besagten Schwellwertes bei zunehmender Kon zentration immer stärker verdünnt wird. Oberhalb der Schwellwertkonzentration wird also der Detektor mit einer konstant bleibenden Meßgaskonzentration beauf schlagt. Dementsprechend bleibt auch das Detektorausgangssignal oberhalb des Schwellwertes konstant (Kurve C s. in Fig. 1). Der Analysenmeßwert oberhalb der Schwellwertkonzentration ergibt sich dann aus der Verdünnung, die notwendig ist, um die Gaskonzentration am Detektor konstant zu halten. Zu diesem Zweck wird die Verdünnung mit einem Durchflußmesser gemessen. Gemäß Fig. 1 liegen die Meßwerte oberhalb der Schwellwertkonzentration auf einer Geraden B, die eine Tangente an die Kalibrierungskurve am Punkt der Schwellwertkonzentration bildet. Der Schwellwert für das Einsetzen der Verdünnung wird vorzugsweise auf einen Wert zwischen 60% und 90% der maximalen Konzentration des Standardmeß bereichs eingestellt. Prinzipiell können die Schwellwerte jedoch auch beliebig klein gewählt werden, so daß praktisch im gesamten Bereich der Kalibrierungskurve von der dynamischen Meßgasverdünnung Gebrauch gemacht wird. Ein Beispiel für die Bildung des Analysenmeßwerts in Abhängigkeit der gemessenen Verdünnung wird weiter unten beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel für die einfachste Form eines Meß- und Regelkreises zur dynamischen Probenverdünnung ist in Fig. 2 dargestellt. Das zu analysierende, unter dem Eingangsdruck P₁ stehende Meßgas wird über eine Reihenschaltung von zwei Festdrosseln 1 und 2 (dritte und erste Drossel) in den Detektor 3 eingespeist. Der Detektor 3 kann z. B. ein elektrochemischer Sensor, ein Spektrometer oder Photo meter oder ein Flammionisationsdetektor sein. Die Drossel 1 ist mit dem Meßgas eingang 4 und die Drossel 2 mit dem Detektor 3 verbunden. Der Ausgang des Detektors 3 ist mit einer Saugpumpe 5 verbunden, so daß der Detektorausgang auf einen deutlich unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck gebracht wird. Der Reihenschaltung der ersten Drossel 2 und Detektor 3 ist eine weitere Drossel 6 (zweite Drossel) als Bypass parallel geschaltet. Die dritte Drossel 1 ist also dem Verzweigungspunkt 7 der zur ersten Drossel 2 und zweiten Drossel 6 führenden Leitungen seriell vorgeschaltet. An der Leitung zwischen den Drosseln 1 und 2 ist ein Druckregler 8 angeschlossen, der den Druck P₂ am Verzweigungspunkt 7 kon stant hält. Der Verzweigungspunkt 7 stellt also die gemeinsame Verbindungsstelle der drei Drosseln 1, 2 und 6 dar, während die Leitung mit der Drossel 6 einen Bypass bildet, der der Reihenschaltung von Detektor 3 und Drossel 2 parallel geschaltet ist am Verzweigungspunkt 7 teilt sich der Meßgasstrom F₁ in zwei Teilströme auf. Ein Teil F_M strömt durch den Detektor 3, der andere Teil F₂ ver einigt sich mit dem durch den Unterdruckregler 8 angesaugten Luftstrom F₄. Die beiden Teilströme F₂ + F₄ bilden den Bypasstrom F_B, der sich am Knotenpunkt 9 mit dem vom Detektor 3 kommenden Teilstrom F_M vereinigt. Die Summe dieser Teilströme wird durch die Saugpumpe 5 abgesaugt. Das von der Gaskonzentration abhängige Detektorsignal wird verstärkt (Meßverstärker) und einem Rechner 10 zur Meßwertverarbeitung zugeführt. Der Analysenmeßwert wird mit einem Schreiber 11 registriert.

An die Verbindungsleitung zwischen den Drosseln 1 und 2 ist eine Verdünnungslei tung 12 angeschlossen, die über ein Stellventil 13 und einen Durchflußmesser 14 mit der Atmosphäre verbunden ist. Durch die Verdünnungsleitung 12 wird, wie nach folgend beschrieben, ein mengenstromgeregeltes Inertgas, z. B. atmosphärische Luft, zur Verdünnung der Meßgasprobe eingespeist. Die Verdünnung des Meßgases setzt erst ein, wenn ein im Rechner 10 gespeicherter, einer vorgegebenen Schwell wertkonzentration entsprechender Grenzwert des Detektorsignals überschritten wird. Das elektromotorisch betätigte Stellventil 13 ist mit einem Verdünnungsregler 15 verbunden, der wiederum mit dem Rechner 10 in Verbindung steht. Der Rechner 10 gibt den zuvor erwähnten Schwellwert als Sollwert für den Verdünnungsregler 15 vor. Der Regler 15 sorgt dafür, daß bei einer weiteren Erhöhung der Meßgas konzentration dem Meßgas gerade so viel Verdünnungsgas zudosiert wird, daß die Konzentration des zum Detektor 3 strömenden Meßgases konstant bleibe. Zur Bildung des Analysenmeßwerts oberhalb der Schwellwertkonzentration wird das vom Durchflußmesser 14 erzeugte Signal herangezogen. Dieses Signal wird dem Rechner 10 zur Meßwertverarbeitung zugeführt. In dem Verdünnungsregelkreis, der durch den Regler 15 des Stellventils 13, die Meßeinheit (Detektor) 3 und den Rechner 10 gebildet wird, ist das vom Detektor 3 kommende Meßsignal die Regel größe und der Verdünnungsgasmengenstrom die Stellgröße.

Bei der Bemessung der Drosseln 1, 2 und 6 sind folgende Gesichtspunkte zu beachten:

1. Der Strömungswiderstand der Drossel 1 wird so gewählt, daß beim niedrigsten vorkommenden Meßgaseingangsdruck noch eine ausreichend hohe Summe von Meßgasstrom F_M und Bypasstrom F_B erzeugt wird.
2. Der Strömungswiderstand der Drossel 2 wird so gewählt, daß der Meß gasstrom F_M noch hinreichend groß ist.
3. Die Bypassdrossel 6 wird so bemessen, daß ein Bypasstrom F_B erzeugt wird, dessen Menge wenigstens das Doppelte des vom Verzweigungspunkt 7 in den Bypass strömenden Teilstroms F₂ beträgt.
4. Die Drosseln 1, 2 und 6 werden mit ihrem Querschnitt so aufeinander abgestimmt, daß bei nahezu vollständig geschlossenem Stellventil 13 in der Inertgasleitung 12 das zum Druckregler 8 gehörende Stellventil nahezu vollständig geöffnet ist.

Die geregelte Meßgaszuführung mit Hilfe des Drosselsystems 1, 2 und 6 ist abhängig vom Druck am Meßgaseingang 4 und nur für Detektoren geeignet, die nicht massestromabhängig sind. Falls der Detektor ein druckabhängiges Meßsignal liefert, muß entweder für konstante Druckverhältnisse an der Detektoreinheit gesorgt werden oder es muß eine Druckmessung in der Detektoreinheit erfolgen und der Meßwert entsprechend korrigiert werden.

Wird die Vorrichtung gemäß Fig. 2, wie in Fig. 3 gezeigt, durch eine seriell vorgeschaltete Drossel 16 am Meßgaseingang und durch eine zusätzliche Bypass drossel 17 sowie einem weiteren an der Verbindungsstelle 18 der Drosseln 16 und 17 angeschlossenen Druckregler 19 ergänzt, so ist die Meßapparatur in einem weiten Bereich vom Eingangsdruck unabhängig. Es wird ein konstanter Druck vor der Drossel 1 erzeugt, so daß ein konstanter Gasstrom durch die Drossel 1 strömt. Damit kann die Maßgenauigkeit im Bereich der dynamischen Meßgasverdünnung (Kurven abschnitt B in Fig. 1) erheblich verbessert werden. Die detektorspezifische Druck- und Massestromabhängigkeit besteht aber weiterhin.

Durch einen zusätzlichen Unterdruckregler 20 am Detektorausgang, der zwischen Detektor 3 und Pumpe 5 angeschlossen ist, kann auch diese Druck- und Masse stromabhängigkeit unterbunden werden, da der Detektorausgangsdruck konstant gehalten wird. Diese Ausführung ist in Fig. 4 dargestellt.

Den Vorrichtungen gemäß Fig. 2 bis 4 ist gemeinsam, daß das Meßgas am Ein gang 4 angesaugt wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, für die geregelte Zuführung des Meßgases zum Detektor 3 anstelle einer Saugpumpe 5 am Detektor ausgang eine Druckpumpe (Kompressor) 21 am Detektoreingang zu verwenden, so daß an den eingangsseitigen Druckreglern 8 und 19 ein höherer Druck herrscht als am Detektor 3. Außerdem ist bei dieser in Fig. 5 dargestellten Alternative noch eine weitere Drossel 22 am Detektorausgang vorgesehen, an deren Verbindungsstelle mit dem Detektor 3 der Druckregler 20 angeschlossen ist. Die dynamische Meßgasver dünnung mit Hilfe des Reglers 15 des Stellventils 13 ist bei den Vorrichtungen gemäß Fig. 3 bis 5 analog zu dem Regelkreis nach Fig. 2.

Im folgenden wird die Bildung des Analysenmeßwerts bei der dynamischen Proben verdünnung, d. h. bei Gaskonzentrationen oberhalb der Schwellwertkonzentration (s. Fig. 1), erläutert. Der Meßwert wird im Rechner 10 mit Hilfe der Formel

ermittelt (Meßwertalgorithmus). Dabei bedeuten:
c die Konzentration des Meßgases am Detektor 3,
Q₁ der Volumenstrom des Meßgases an der Drossel 1 am Meßgaseingang und
Q₂ der Volumenstrom des Verdünnungsgases (Inertgas).

Der Volumenstrom des Inertgases wird mit dem Durchflußmesser 14 gemessen. Der Volumenstrom Q₁ kann durch Kalibrierung bestimmt werden, bei der das Detek torausgangssignal bei einem Meßgas mit vorgegebener Konzentration gemessen wird. Diese Konzentration sollte nicht über der Schwellwertkonzentration liegen. Anschließend wird das Stellventil 13 in der Verdünnungsgasleitung 12 so weit geöffnet, bis das Detektorsignal nur noch halb so groß ist. In diesem Fall ist der mit dem Durchflußmesser 14 gemessene Volumenstrom gleich dem Volumenstrom Q₁. Dabei wird eine lineare Abhängigkeit des Detektorsignals von der Konzentration vorausgesetzt. Ist der Zusammenhang zwischen Detektorsignal und Konzentration z. B. logarithmisch, so muß eine entsprechende Umrechnung erfolgen. Für eine genauere Bestimmung des Volumenstromes Q₁ kann eine Meßreihe mit verschie denen Verdünnungen aufgenommen und die Ergebnisse anschließend gemittelt werden. Der nach dem obigen Meßwert-Algorithmus gebildete Analysenmeßwert wird vom Rechner 10 an die Ausgabeeinheit, z. B. in einen Schreiber 11, weitergeleitet und angezeigt.

Claims

1. Kontinuierlich arbeitender Gasanalysator mit einer geregelten Meßgas zuführung, bestehend aus einer Meßgaspumpe (5, 21) am Detektoreingang oder -ausgang; einer ersten Drossel (2), die dem Detektor (3) in der Meßgasleitung vorgeschaltet ist; einer zweiten Drossel (6), die der Reihenschaltung von erster Drossel (2) und Detektor (3) als Bypass parallel geschaltet ist; einer dritten Drossel (1), die in der Meßgasleitung angeordnet ist und der gemeinsamen Verbindungsstelle (7) der ersten (2) und zweiten Drossel (6) seriell vorgeschaltet ist; sowie einem Druckregler (8, 25), der den Druck an der gemeinsamen Verbindungsstelle (7) der drei Drosseln (1, 2, 6) konstant hält, dadurch gekennzeichnet,

a) daß zwischen der ersten (2) und dritten Drossel (1) an der Meßgas leitung eine Verdünnungsgasleitung (12) mit einem Stellventil (13) zur kontinuierlichen Verdünnung des Meßgases mit einem Inertgas angeschlossen ist;
b) daß der Detektor (3) ausgangsseitig über einen Rechner (10) mit einem Verdünnungsregler (15) verbunden ist, der den Inertgas mengenstrom über das Stellventil (13) derart nachregelt, daß das verstärkte Detektorausgangssignal auf einem vorgegebenen Sollwert gehalten wird, wobei mit zunehmender Meßgaskonzentration der Meßgasstrom stärker verdünnt wird, und
c) daß in der Verdünnungsgasleitung (12) ein Durchflußmesser (14) angeordnet ist, dessen Meßsignal zusammen mit dem Detektorsignal in einem mit dem Detektor (3) und dem Verdünnungsregler (15) verbundenen Rechner (10) zum Analysenmeßwert verarbeitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung für die Verdünnung des Meßgases erst einsetzt, wenn das verstärkte Detektor signal einen innerhalb eines Standardmeßbereichs liegenden, vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Detektor (3) vorgeschalteten Drosseln (1, 2, 6) so dimensioniert sind, daß bei nahezu vollständig geschlossenem Stellventil (13) in der Verdün nungsgasleitung (12) das Stellventil des Druckreglers (8, 25) am Detektor eingang nahezu vollständig geöffnet ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßgasleitung vor der dritten Drossel (1) eine vierte Drossel (16) angeordnet ist und von der Verbindungsstelle (18) dieser beiden Drosseln eine weitere Bypassleitung mit einer fünften Drossel (7) direkt zum Detektorausgang führt und daß der Druck an dieser Verbindungsstelle (18) mit einem weiteren Druckregler (19, 24) konstant gehalten wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Detektor ausgang ein weiterer Druckregler (20, 23) vorgesehen ist, um den Detektorausgangsdruck konstant zu halten.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgaspumpe am Detektoreingang als Druckpumpe (21) ausgebildet ist, und daß dem Detektorausgang eine sechste Drossel (22) seriell nachgeschaltet ist