DE4417929C2 - Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen mit einer entsprechenden Leitungsführung sowie mit Ventil oder Ventilen und Pumpe oder Pumpen gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Meßeinrichtungen dieser Art sind beispielsweise als Säuremeßeinrichtungen bekannt. Eine häufig nachzuweisende Säure ist HCl wobei hierbei der Einsatz von Festkörperelektrolyt-Sensoren üblich ist. Die Meßeinrichtung selbst kann von kalten Meßgasen oder Aerosolen oder auch von heißen Meßgasen beaufschlagt sein. Bei heißen Meßgasen findet dies eine entsprechende Berücksichtigung in der Auslegung der Pumpe bzw. Pumpen und der Ventile. Meßeinrichtungen dieser Art sind vielfach angewendet zur Überwachung von Herstellprozessen üblicherweise in der chemischen Industrie.

Dabei sind Meßeinrichtungen der gattungsgemäßen Art weniger für die labormäßige Analyse als vielmehr für die In-situ Analyse während eines Prozeßablaufes eingesetzt. Die Anforderungen bei In-situ Messungen bzw. Analysen zielen insbesondere auf eine schnelle Reaktionszeit bei sprunghaften Änderungen der Meßgas- oder Aerosolzusammensetzungen ab, welche dann in entsprechender Weise in die Leitstelle, beispielsweise eines Prozeßleitsystemes einzuspeisen sind. Nach dem In-situ-Analyseergebnis richten sich die vorzunehmenden Regeleingriffe. Demnach sind die Anforderungen hinsichtlich der Verfügbarkeit einer solchen Meßeinrichtung während des Meßeinsatzes von vehementer Bedeutung. Kommt es zu Ausfällen der eigentlichen Sensoren, so muß zur Sicherheit des Prozeßablaufes derselbe unterbrochen werden. Für das Beispiel von HCL-Festelektrolyt-Sensoren bedeutet der Ausfall eines Sensorelementes eine Wartungszeit von 40 bis 100 Minuten, innerhalb der der Prozeßablauf steht. Solche Zwangspausen sind hinsichtlich einer wirtschaftlichen Betriebsweise einer chemischen Produktionsanlage nicht tragbar. Bisher hat man zur Vermeidung solcher Sensorausfälle eine generelle Austauschung des Sensorelementes in entsprechenden festgelegten Wartungsintervallen vorgenommen. Das heißt mit anderen Worten, daß man die Lebensdauer eines Sensorelementes zugunsten der Betriebssicherheit nicht ausgenutzt hat. Hinzu kommt, daß das Sensorelement für die In-situ-Messung während der Kalibriermodi ebenfalls für die Messung nicht zur Verfügung steht. Insofern bedeuten Kalibriermodi bei bekannten Einrichtungen stets Unterbrechungen des eigentlichen Analysebetriebes. Wichtig bleibt jedoch nach wie vor, daß selbst während eines länger andauernden Prozesses die Kalibrierung wiederholt wird, um die Zuverlässigkeit des Analyseergebnisses mit hoher und stabiler Genauigkeit zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß die Lebensdauer der Sensorelemente weitgehend ausgenutzt wird, und daß bei Austausch eines Sensorelementes oder während eines Kalibriermodus der Analysebetrieb der Meßeinrichtung nicht unterbrochen wird.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Meßeinrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens zwei Sensoren vorgesehen sind, welche gasstrommäßig parallel geschaltet sind und daß die Sensoren gemeinsam an einer Prüfgasaufbereitung, an einer Meßgaszuführung, und an einer Pumpe angeschlossen sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß für den Fall daß ein Sensor ausfällt, der andere Sensor die Meßaufgabe übernimmt. Es besteht dabei genug Zeit, den defekten Sensor zu wechseln, ohne den Meßvorgang bzw. den laufenden Meßprozeß zu unterbrechen. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Meßeinrichtung hinsichtlich der Sensorik nunmehr in erfindungsgemäßer Weise redundant ausgelegt ist. Aus dieser redundanten Auslegung folgen jedoch weitere sich durch die entsprechende Betriebsart ergebende Vorteile, die über die eigentliche Redundanzwirkung hinausgehen. So ist es beispielsweise möglich, daß während einer Kalibrierphase ein Sensor die Meßaufgabe weiter übernimmt und somit keine Meßpause entsteht, und die Kalibriermodi für beide Sensoren in abwechselnder Weise und zyklisch wiederholt werden können. Das System ist somit über die Absicherung als redundantes System hochverfügbar, und wird selbst durch die zeitweise notwendigen Kalibriermodi nicht unterbrochen.

Ferner entfällt der prophylaktische Wechsel der Sensorelemente, weil man nunmehr die Sensorelemente hinsichtlich ihrer Lebensdauer stärker ausnutzen kann, da für den Fall, daß einer der Sensoren die Lebensdauer erreicht hat und ausfällt, der andere Sensor die Meßaufgabe übernimmt. Es besteht dann genügend Zeit zum Wechsel des defekten Sensors.

Zusammengefaßt heißt dies, daß der Ausfall eines der beiden Sensoren nicht mehr zu einem Ausfall des Gesamtsystemes führt, da immer einer von beiden Sensoren im Meßbetrieb ist bzw. denselben übernimmt. Bei der praktischen Durchführung ist das System so angelegt daß einer der Sensoren vom Meßgas durchströmt wird, und der andere im sogenannten Stand-by-Betrieb von Umgebungsluft bzw. bei der Kalibrierung von Prüfgas durchströmt wird.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden naher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 Erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einem Detektorgehäuse innerhalb dem zwei Sensorelemente angeordnet sind.

Fig. 2 Erfindungsgemäße Ausgestaltung als Doppelsystem mit zwei Detektorgehäuse in entsprechender gasdynamischer Verschaltung mit jeweils einem Sensorelement.

Fig. 3 Optimiertes Doppelsystem gemäß Fig. 2 mit ausgelagerten kalten Umschaltventilen.

Fig. 1 zeigt die Einbindung der Erfindung in eine Meßeinrichtung, welche ein Sensorgehäuse 1 vorsieht, in welchem in erfindungsgemäßer Weise zwei Sensorelemente gasstrommäßig parallel geschaltet angeordnet sind. Die beiden Sensorelemente sind dabei auch elektrisch autark voneinander, so daß sie jeweils getrennte eigene Signale aufgeben. Das Signal liegt am Ausgang des Sensorgehäuses als EMK, d. h. als elektrische Spannung, vor. Das Meßgas wird in der beschriebenen Weise als heißes Meßgas bereitgestellt und über das Nadelventil 2 geführt. Dem Nadelventil gasstrommäßig nachgeschaltet ist ein Umschaltventil 3, welches entweder den Meßgasstrom zum Sensorgehäuse 1 durchschaltet, oder, wie hier dargestellt, den Meßgasstrom gegen die Prüfgaszuführung hin verschließt, und die Prüfgaszuleitung gasstrommäßig zum Sensorgehäuse 1 durchschaltet. In diesem dargestellten Schaltzustand befindet sich die Meßeinrichtung im Kalibriermodus. Am Ausgang des Sensorgehäuses ist gasstrommäßig eine Saugpumpe 5 angeordnet, welche das jeweilig dem Sensorgehäuse 1 zugeführte Gas durch dasselbe hindurchsaugt. In diesem Kalibriermodus wird Prüfgas aus der Prüfgasaufbereitung 5 über eine Drossel 4 und über das Umschaltventil 3 in entsprechender Schaltstellung dem Sensorgehäuse 1 zugeführt, und über die Saugpumpe 5 nach außen befördert. Bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 ist die Erfindung in einfachster Form realisiert, und in dem Sensorgehäuse 1 sind zwei Sensoren integriert. Diese sind, wie bereits gesagt, gasstrommäßig parallel geschaltet und geben jeweils für sich eigene Meßwerte ab. Fällt einer der Sensoren aus, so übernimmt der andere Sensor die Meßaufgabe vollständig. Bei der Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 1 weist die Meßeinrichtung im Bereich der Sensoren die erfindungsgemäße Redundanz auf, jedoch ist hierbei noch nicht realisiert, daß Meßmodus und Kalibriermodus quasi gleichzeitig erfolgen kann.

Um eine solche Funktionsweise zu erzielen, bedarf es einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß Fig. 2.

Fig. 2 zeigt, daß das Meßgas über zwei Pfade parallel zugeführt wird und jeweils über ein Nadelventil 2 bzw. 2′ geführt wird. In dem einen Meßpfad befindet sich das erste Umschaltventil 3 und in dem anderen Meßpfad das Umschaltventil 3′ . Beide Umschaltventile sind somit gleichzeitig an den zugeführten Meßgasstrom geschaltet, und hinsichtlich einer jeweiligen Umschaltstellung gemeinsam, d. h. parallel an der Prüfgasaufbereitung 6 angeschlossen. Ein weiterer Ausgang der Ventile 3 und 3′ ist jeweils zum Sensorgehäuse 1 bzw. 1′ geführt. Im Sensorgehäuse 1 ist der Sensor S1 und im Sensorgehäuse 1′ der Sensor S2 angeordnet. Das heißt, bei dieser Ausgestaltungsform der Erfindung ist jeder der beiden Sensoren in einem eigenen Sensorgehäuse angeordnet, und die Gasführung ist außerhalb des Sensorgehäuses zweifach, d. h. parallel, angelegt. Die beiden Ausgänge der Sensorgehäuse 1 und 1′ laufen dabei wieder parallel zur einer gemeinsamen Saugpumpe 5 zusammen. In dieser Darstellung befindet sich das Umschaltventil 3 im Meßmodus, in welchem das Meßgas über das Nadelventil 2 und das Umschaltventil 3 dem Sensorgehäuse 1, d. h. dem darin angeordneten Sensor S1 zugeführt wird. Abgesaugt wird das Meßgas über die Saugpumpe 5. Das Umschaltventil 3 sperrt hierbei die Zuführungsleitungen aus der Prüfgasaufbereitung 6 gegen die Meßgaszuführleitung. Gleichzeitig zum Meßmodus des Sensor S1 befindet sich der Sensor S2 im Kalibriermodus. Hierzu ist das Umschaltventil 3′ derart geschaltet, daß das Prüfgas von der Prüfgasaufbereitung 6 über die Drossel 4 in das Sensorgehäuse 1′ über den Sensor S2 gesaugt wird, und am Ausgang des Sensorgehäuses 1′ über die Saugpumpe 5 nach außen gesaugt wird. Hierbei ist es somit möglich, daß während der eine Sensor im Meßmodus die Meßgaszusammensetzung ermittelt, der andere Sensor S2 gleichzeitig im Kalibriermodus ist.

Zu einem anderen Zeitpunkt ist diese Situation dann umgekehrt, so daß die Sensoren S1 und S2 abwechselnd im Meßmodus und im Kalibriermodus sind, bzw. sein können. Hierdurch wird erreicht, daß während der Phase, während der einer der Sensoren kalibriert wird, der Meßmodus bzw. der Meßvorgang als solches nicht unterbrochen werden muß. Bei einer Ausgestaltung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 sind die Umschaltventile sowie die Sensorgehäuse im heißen Bereich des Meßgases. Das heißt, das Umschaltventil 3, bzw. 3′ ist von dem heißen Meßgas thermisch beaufschlagt. Hierzu müssen die Umschaltventile gemäß einer Ausgestaltung nach Fig. 1 oder Fig. 2 chemisch und thermisch resistent sein.

Eine weitere Verbesserung ist in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 ist zunächst eine Ausgestaltung im Sinne einer Ausgestaltung gemäß Fig. 2, jedoch sind hierbei die Umschaltventile so mit den Sensorgehäusen verschaltet, daß sie aus dem heißen Beaufschlagungsbereich des Meßgases herausgeführt sind. Dies hat den Vorteil, daß die Umschaltventile 3 und 3′ lediglich nur noch chemiefeste Umschaltventile zu sein brauchen, und keiner thermischen Belastung mehr unterliegen. Ferner ergibt sich außerdem, daß die Umschaltventile entgegen einer Ausbildung gemäß Fig. 1 nicht mehr der Anforderung einer hohen Dichtigkeit genügen müssen, sondern es genügen einfache Dichtigkeiten, da die Gasstromführung gemäß Fig. 3 so gelegt ist, daß eine 100%-ige Abdichtung von Meßgas gegen Kalibrier- bzw. Prüfgas nicht notwendig ist. Diese Separation von Kalbiergas und Meßgas erfolgt gasdynamisch. Das Meßgas wird hier parallel über die Nadelventile 2 und 2′ geführt. Von dort aus besteht jeweils eine direkte Verbindung vom Nadelventil 2 bzw. 2′ zum Sensorgehäuse 1 bzw. 1′. Im Sensorgehäuse 1 ist der Sensor S1 und im Sensorgehäuse 1′ ist der Sensor S2 angeordnet. Parallel geht zwischen Nadelventil 2 bzw. 2′ und Sensorgehäuse 1 und 1′ eine Gasführungsleitung zum Umschaltventil 3 bzw. 3′.

Dieser parallele Abgang geht an eine der schaltbaren Eingänge des Umschaltventiles 3 bzw. 3′. Ferner ist einer der Eingänge des Umschaltventiles 3 bzw. 3′ mit dem Ausgang des Sensorgehäuses 1 bzw. 1′ verbunden, und der dritte Eingang des Umschaltventiles 3 bzw. 3′ mündet in die Saugpumpe 5. Beim linken Umschaltventil 3 ist der Meßmodus geschaltet. Dabei erfolgt eine Durchströmung mit Meßgas über das Nadelventil 2 hinein in das Sensorgehäuse 1 über den Sensor S1 und von dort aus nach außen über das Umschaltventil 3 hin zur Saugpumpe 5. Gleichzeitig ist das rechte Umschaltventil 3′ im Kalibriermodus, wobei das Prüfgas bzw. Kalibriergas aus der Prüfgasaufbereitung 6 über die Drossel 4′ in umgekehrter Richtung zum Sensorgehäuse 1′ über den Sensor S2 geführt wird. Markant ist bei einer Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 3, daß die Umschaltventile 3 und 3′ gasstrommäßig so in der Meßeinrichtung verschaltet sind, daß im Kalibriermodus die Sensorgehäuse 1 bzw. 1′ in umgekehrter Richtung durchströmt werden, als im Meßmodus. Dies ermöglicht jedoch, daß die Umschaltventile 3 und 3′ keiner hohen Dichtigkeitsanforderung mehr unterliegen, weil es bei einer solchen Gasstromführung zwischen Meßmodus und Kalibriermodus keiner besonderen Abdichtung zwischen Meßgas und Prüfgas mehr bedarf. Dies deshalb, weil am Beispiel des in der Fig. 3 dargestellten Umschaltventiles 3′ in dieser Stellung über die Drossel 4′ lediglich Prüfgas in das Sensorgehäuse 1′ eingesaugt wird. Eine Vermischung mit Meßgas kann in diesem Bereich überhaupt nicht mehr erfolgen. Am vorherigen Eingang des Sensorgehäuses 1 wird das in Gegenrichtung strömungsmäßig geführte Prüfgas gemeinsam dem zugeführten Meßgas über das Umschaltventil 3′ in der entsprechend dargestellten Stellung gemeinsam über die Saugpumpe 5 nach außen befördert. Das heißt, noch bevor Meßgas in das Sensorgehäuse 1′ eintreten kann, wird es gemeinsam mit dem im Gegenstrom strömenden Prüfgas abgesaugt.

Zum einen können durch diese Verschaltung die Umschaltventile 3 und 3′ aus dem heißen Bereich herausgeführt werden, indem die Gasleitungen nur entsprechend lang sein müssen, und zum anderen müssen die Umschaltventile 3 und 3′ keiner hohen Dichtigkeitsanforderungen mehr genügen. Dies wird durch die entsprechend dargestellte Gasführung erreicht. Auch hierbei ist es möglich, gleichzeitig einer der Sensoren im Meßmodus und den anderen im Kalibriermodus zu halten. Dieser Zustand ist dann zyklisch abwechselbar, so daß wie gemäß einer Ausführung in Fig. 2 während der Messung sowohl gemessen als auch kalibriert werden kann.

Claims (9)

1. Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen, mit einer Detektoreinrichtung, mindestens einem Ventil, mindestens einer Pumpe und einer Prüfgasaufbereitung zur Kalibrierung sowie mit gasführenden Leitungen, über welche je nach Stellung des oder der Ventile das Meßgas oder das Prüfgas dem Detektor zuleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung mindestens zwei Sensoren (S1, S2) enthält, welche gasstrommäßig parallel geschaltet sind, daß die Sensoren (S1, S2) gemeinsam an einer Prüfgasaufbereitung (6), an einer Meßgaszuführung und an einer Pumpe (5) angeschlossen sind und daß jedem Detektorgehäuse (1, 1′) ein Umschaltventil (3, 3′) zugeordnet ist, über welches die Gasführung zwischen Meßmodus und Kalibriermodus schalbar ist.

2. Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (S1, S2) Festelektrolyt-Sensoren sind.

3. Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (S1, S2) in einem Detektorgehäuse (1), in welchem Mittel zur elektrischen Meßwerterzeugung integriert sind, angeordnet sind.

4. Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung mindestens zwei Detektorgehäuse (1, 1′) mit jeweils einem Sensor (S1, S2) enthält, und jeweils mit eigenen Mitteln zur elektrischen Meßwerterzeugung ausgestattet ist.

5. Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgaszuführung, die Prüfgasaufbereitung (6) und die Pumpe (5) gasstrommäßig parallel an den beiden Detektorgehäusen (1, 1′) angeschlossen ist.

6. Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (5) eine chemiefeste Pumpe ist, die dem Detektor bzw. den Detektoren als Saugpumpe nachgeschaltet ist.

7. Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfgas aus der Prüfgasaufbereitung (6) drucklos bzw. gedrosselt und quasi drucklos bereitgestellt wird.

8. Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (5) eine Förderpumpe ist, welche in die Gasführungsleitungen vor Eintritt in den bzw. die Detektor/-en eingebracht ist.

9. Meßeinrichtung zur Analyse von Meßgaskomponenten oder Meßgasaerosolen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfgas aus der Prüfgasaufbereitung druckbeaufschlagt und gedrosselt bereitgestellt wird.