DE4417930C2 - Meßeinrichtung zur Analyse von Gaskomponenten oder Aerosolen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Analyse von Gaskomponenten oder Aerosolen, bei welcher das Meßgas in heißem Zustand eingespeist wird gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Das besondere an einer Meßeinrichtung der gattungsgemäßen Art ist, daß die Komponenten der Einrichtung darauf ausgelegt sind bzw. ausgelegt sein müssen, das Meßgas in heißem Zustand einspeisbar zu machen. Heiße Meßgase fallen beispielsweise bei sogenannten Flammenionisations-Meßverfahren an.

Mit Hilfe dieses Verfahrens kann beispielsweise eine kontinuierliche Messung einer Kohlenwasserstoff-Konzentration in Luft oder anderen Gasgemischen vorgenommen werden. Ein sogenannter Flammenionisations-Detektor, der nach dem beschriebenen Verfahren arbeitet, ist als Fidas 3e von Hartmann & Braun bekannt. Die Anwendung dieser Meßeinrichtung reicht von der Abgasprüfung an Verbrennungsmotoren über Messungen in Reingasen, Emissionsüberwachungen, Imissionsüberwachungen, Raumluft­ überwachungen, Konzentrationsbestimmungen von Lösungsmitteldämpfen vor und nach einer katalytischen Abluftreinigung bis hin zur Überwachung von Gaszusammensetzungen, um ein Erreichen der jeweiligen Explosionsgrenze zu vermeiden. Das Meßprinzip, nach dem diese Meßeinrichtung arbeitet, beruht auf dem Anlegen eines elektrischen Feldes an eine reine Wasserstoffflamme, die unter Zufluß von kohlenwasserstofffreier Luft brennt. Dabei entsteht ein sehr kleiner jedoch noch meßbarer Ionenstrom. Werden dieser Flamme Kohlenwasserstoffe im Meßgas zugeführt, so steigt der Ionenstrom an und zwar proportional zur Zahl der Kohlenstoffatome, die pro Zeiteinheit zugeführt werden. Mit Meßeinrichtungen dieser Art sind Meßbereiche von 0 bis 10 ppm bzw. von 0 bis 10⁵ ppm, bezogen auf beispielsweise Methan CH₄ einstellbar, bzw. nachweisbar. Es zeigt sich im übrigen, daß Meßeinrichtungen dieser Art sehr schnell auf Konzentrationsänderungen bzw. auf sprunghafte Konzentrationsänderungen reagieren. Die hierzu benötigte Zeit ist die nach den VDI- bzw. VDE-Normungen bekannte sogenannte T90-Zeit. Die T90-Zeit ist die Zeit, die von einer sprunghaften Konzentrationsänderung unmittelbar am Analysatoreneingang vergeht bis zur Anzeige von 90% dieser Konzentrationsänderung. Dabei ist im übrigen die Totzeit, in der kein Meßausschlag erfolgt, schon in der T90-Zeit enthalten. Wie oben erwähnt, wird das Meßgas aus der Flammenionisationskammer dem eigentlichen Detektor bzw. der Meßeinrichtung als solche zugeführt. Die Gaseingangsbedingungen richten sich hinsichtlich der Temperatur nach der Meßaufgabe. Üblicherweise entstehen dabei Meßgastemperaturen von 150 Grad bis 230 Grad, möglicherweise auch darüber. Es ergibt sich, daß die Einzelkomponenten der Meßeinrichtung, die das Prüfgas transportieren, von der Wärme des eingespeisten heißen Meßgases erwärmt werden. Innerhalb der Meßeinrichtungen werden im übrigen auch Hilfsgase geführt, sowie u. a. auch Prüfgas bzw. Prüfgase.

Zur Führung der einzelnen Gase sind Ventile und Pumpen vorgesehen. Durch die Einspeisung der Meßgase in heißem Zustand werden diese mechanischen Komponenten entsprechend temperiert. Hinzu kommt, daß die mechanischen Elemente der Ventile, insbesondere die für die Dichtigkeit wesentlichen Elemente, nicht nur der entsprechend hohen Betriebstemperatur ausgesetzt sind, sondern darüber hinaus sind die in die Meßeinrichtung zwecks Analyse zu transportierenden Meßgase chemisch aggressiv. Hinzu kommt noch, daß es für eine zuverlässige Messung notwendig ist, daß aggressive Gase bei Temperaturen oberhalb des Taupunktes der jeweiligen Säuren vorliegen müssen. Bei dem Bau solcher Meßeinrichtungen ergibt sich im übrigen die Schwierigkeit, daß Magnetventile für Temperaturen um 200 Grad Celsius, nicht Standard auf dem Magnetventilmarkt sind. Die Beschaffung solcher Ventile ist somit schwierig und kostenintensiv.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Meßeinrichtung hinsichtlich der Führung des einzuspeisenden Meßgases so auszugestalten daß die Temperatur des zuzuführenden Meßgases unbeachtlich bleiben kann und die Komponenten der Meßgasführung lediglich die Bedingung der Chemiefestigkeit erfüllen müssen.

Die gestellte Aufgabe ist bei einer Meßeinrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Als Kern der Erfindung kann betrachtet werden, daß das Magnetventil oder die Magnetventile aus dem heißen Bereich des etwa 200 Grad Celsius heißen Meßgases, in den kalten Bereich ausgelagert wird bzw. werden, der lediglich bei Umgebungstemperatur liegt.

Das oder die zu verwendenden Magnetventile brauchen dabei nur noch die Bedingung der Chemiefestigkeit zu erfüllen, wobei die Temperatur des zu führenden Meßgases unbeachtlich bleiben kann. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß die Kalibriergaskapillare im Meßbetrieb mit Umgebungsluft gespült wird. Somit sind also die sogenannten heißen Ventile vermieden, die im Falle einer Störung, d. h. einer Temperatur unter dem Säuretaupunkt, beschädigt würden. Bei Einrichtungen bekannter Art sind das oder die Magnetventile sowohl dem Wärmeeingriff als auch dem Chemieeingriff ausgesetzt. Der Chemieeingriff wird bei den o.g. Temperaturen noch unterstützt. Dagegen ist bei der vorliegenden Erfindung die Anforderung an das oder die Magnetventile lediglich die Chemiefestigkeit, ohne daß hohe Temperaturen vorliegen. Damit kann das chemiefeste Magnetventil ständig mit Kondensat belastet werden, ohne daß Beschädigungen entstehen. Möglicherweise auftretende geringe Undichtigkeiten sind unkritisch und beeinflussen die Meßeinrichtung sowie den Meßbetrieb nicht.

Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Meßeinrichtung im Sensorbereich, im Gasführungskapillarbereich und im Umschaltventilbereich redundant doppelt ausgelegt ist. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß zwei gasführungsmäßig parallel geschaltete Sensoren vorgesehen sind, welchen jeweils ein Umschaltventil zugeordnet ist. Diese Umschaltventile sind ausgangsseitig gasführungsmäßig über eine gemeinsame Pumpe geführt und sowohl von einer gemeinsamen Kalibriergasaufbereitung als auch von einer gemeinsamen Meßgasaufbereitung speisbar. Dies ergibt über die gemäß Patentanspruch 1 erfindungsgemäße Ausbildung der Meßeinrichtung hinaus die Möglichkeit, daß die Einrichtung in situ einsetzbar ist, und daß während der Kalibriermodi immer einer der beiden Sensoren im Meßbetrieb ist. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, die Sensoren abwechselnd und zyklisch zu kalibrieren, ohne daß der Meßbetrieb unterbrochen werden muß. Ferner ist die Einrichtung durch die erfindungsgemäße Redundanz ausfallsicher, so daß, wenn ein Sensor ausfällt, noch immer ein zweiter für die Meßaufgabe zur Verfügung steht.

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

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Auslagerung des Umschaltventiles sowie die erfindungsgemäße Gasführung.

Fig. 2 zeigt eine typische Auslegung der Meßeinrichtung hinsichtlich der Gasführung und der Anordnung der Ventile aus dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Lösung. Das Umschaltventil 3 ist aus dem Bereich der heißen Gaswege, d. h. schlechthin aus dem heißen Bereich, ausgelagert. Das Umschaltventil 3 ist somit ein kaltes Ventil und ist nur noch chemisch belastet, wobei die Temperaturbelastung entfällt. Dazu ist dann auch die Gasführung so angelegt, daß im Meßmodus das Meßgas über das Nadelventil 2 durch den Sensor 1 hindurchgesaugt wird, wobei das Umschaltventil 3 vor der Vakuumpumpe 5 angeordnet ist.

Die Vakuumpumpe ist hier als Saugpumpe ausgelegt. Die Gasführung bzw. die Kapillarführung ist so angelegt, daß bei einem Umschalten vom Meßmodus auf den Kalibriermodus der Sensor 1 in umgekehrter Richtung vom Kalibrier- bzw. Prüfgas durchströmt wird. In diesem Kalibriermodus wird einzig das Prüfgas bzw. das Kalibriergas über den Kapillarweg "Kalibrieren" durch den Sensor 1 hindurchgeführt. Bereitgestellt wird das Prüfgas durch eine Prüfgasaufbereitung 6. Von dort aus strömt das Prüf- bzw. Kalibriergas über eine Drossel 4.

Der Ansaugbypass "kalibrieren" saugt außerdem das Meßgas mit ab, so daß es nicht vermischt mit dem Kalibriergas durch den Sensor 1 hindurchströmen kann. Das heißt, das Meßgas wird vor Eintritt in den Sensor 1 abgesaugt und das Kalibriergas wird durch den Sensor 1 hindurchgesaugt. Daraus ergibt sich im übrigen der Vorteil, daß das so ausgelagerte kalte Umschaltventil entgegen dem Stand der Technik nunmehr keine besondere Dichtigkeitsanforderung erfüllen muß. Bei dieser Gasführung kommt es nämlich nicht mehr darauf an, Meßgas und Prüf- bzw. Kalibriergas gegeneinander anzudichten, sondern die Gasführung mit der Tatsache der im Kalibriermodus umgekehrten Durchströmung des Sensors bewirkt, daß im Kalibriermodus kein Meßgas in den Sensor strömen kann, und das Meßgas lediglich abgesaugt wird, vor Eintritt in den Sensor. Ein Abdichtungsproblem wie im Stand der Technik ist hierbei auch nicht mehr gegeben.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der wichtigsten Elemente der Einrichtung wie sie bei o.g. bekannten Meßgeräten bzw. Meßeinrichtungen der bekannten Art realisiert ist.

Gestrichelt gezeichnet ist der Bereich der heißen Gaswege. Innerhalb diesem Bereich ist im Stand der Technik bei bekannten Geräten sowohl die jeweilige Gasführung von Meßgas und Prüf- bzw. Kalibriergas sowie der Sensor 1 und das Umschaltventil 3 angeordnet. Als Pumpe 5 ist hierbei eine chemiefeste Vakuumpumpe verwendet, die das Meßgas oder das Prüf­ bzw. Kalibriergas je nach Stellung des Umschaltventiles, durch den Sensor 1 hindurch ansaugt. In einer Stellung des Umschaltventiles 3 wird das Meßgas über ein Nadelventil 2 und über das Umschaltventil 3 in den Sensor 1 geführt und von dort aus weiter zur chemiefesten Vakuumpumpe 5. Bei Umschalten des Umschaltventiles 3 wird der Meßgaszufluß getrennt und die Kapillare zur Prüfgasaufbereitung 6 aufgeschaltet. Über die chemiefeste Vakuumpumpe 5 wird dann das Prüfgas zur Kalibrierung über den Sensor 1 und durch denselben hindurchgesaugt. Bei Ausführungen dieser bekannten Art ist das Umschaltventil 3 stets im heißen Bereich plaziert und unterliegt der o.g. Problematik. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, daß bei der Anordnung des Umschaltventiles in dieser Art und in diese Gasführung eingebunden im heißen Bereich unbedingt über eine gute Dichtigkeit zu den geschlossenen Gaswegen verfügen muß, da ansonsten eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Vermischung von Meßgas und Kalibriergas erfolgt. Dies ergibt sich nachteiligerweise aus einer Gasführung nach dieser bekannten Art.

Alle diese aus dem Stand der Technik bekannten Probleme sind durch die Erfindung, bzw. durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung gemäß Fig. 1 gelöst.

Claims (4)

1. Meßeinrichtung zur Analyse von Gaskomponenten oder Aerosolen, bei welcher das Meßgas in heißem Zustand eingespeist wird, mit einem Sensor und Gasführungskapillaren, welche im heißen Bereich der Einrichtung angeordnet sind, mit einer Pumpe zum Ansaugen oder Fördern des Meßgases, sowie mit einer Kalibriergaszuführung und einem Umschaltventil, über welches zwischen der Zuführung von Meßgas und der Zuführung von Kalibriergas umgeschaltet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil (3) außerhalb des heißen Bereiches der Einrichtung angeordnet ist, und die Gasführung über die Gasführungskapillaren dabei derart angelegt ist, daß im Kalibriermodus der Sensor (1) in umgekehrter Richtung durchströmt wird als im Meßmodus, wobei das Meßgas vor Eintritt in den Sensor (1) absaugbar und das Kalibriergas durch den Sensor (1) hindurchsaugbar ist.

2. Meßeinrichtung zur Analyse von Gaskomponenten oder Aerosolen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüf- bzw. Kalibriergaszuführung drucklos erfolgt.

3. Meßeinrichtung zur Analyse von Gaskomponenten oder Aerosolen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (5) eine Saugpumpe ist, über welche sowohl Meßgas als auch Kalibriergas ansaugbar ist.

4. Meßeinrichtung zur Analyse von Gaskomponenten oder Aerosolen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung im Sensorbereich, im Gasführungskapillar-Bereich und im Umschaltventil-Bereich redudant doppelt ausgelegt ist, indem zwei gasführungsmäßig parallel geschaltete Sensoren vorgesehen sind, welchen jeweils ein Umschaltventil zugeordnet ist, die ausgangsseitig gasführungsmäßig über eine gemeinsame Pumpe geführt und sowohl von einer gemeinsamen Kalibriergasaufbereitung als auch von einer gemeinsamen Meßgasaufbereitung speisbar sind.