EP2304320A2 - Verfahren und vorrichtung zur regelung oder überwachung von feuerungsanlagen sowie zur überwachung von gebäuden mit gasbrennern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regelung oder überwachung von feuerungsanlagen sowie zur überwachung von gebäuden mit gasbrennern

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EP2304320A2
EP2304320A2 EP09780118A EP09780118A EP2304320A2 EP 2304320 A2 EP2304320 A2 EP 2304320A2 EP 09780118 A EP09780118 A EP 09780118A EP 09780118 A EP09780118 A EP 09780118A EP 2304320 A2 EP2304320 A2 EP 2304320A2
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EP
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gas
carbon monoxide
light source
absorption
methane
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EP09780118A
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Jia Chen
Andreas Hangauer
Hans Link
Rainer Strzoda
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Siemens AG
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Publication date
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
    • G01J3/4338—Frequency modulated spectrometry
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
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    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/11041—Means for observing or monitoring flames using photoelectric devices, e.g. phototransistors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2231/00—Fail safe
    • F23N2231/18—Detecting fluid leaks

Definitions

  • the invention relates to the simultaneous detection of the concentration of carbon monoxide and methane by laser absorption spectroscopy. Furthermore, an apparatus for carrying out the method is presented. Method and apparatus are used for control and / or monitoring of combustion plants or buildings in which gas burners are used.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • metal oxide semiconductor gas sensors which can simultaneously detect at least two gases in a sample gas volume.
  • these sensors require that a gas-sensitive layer is brought to different temperature levels Liehe so that the gas-sensitive layer having the optical ⁇ male temperature for the specific detection of a gas. This is associated with temperature change processes or with heating and cooling processes.
  • reaction times in a heating gas control or safety system are desired.
  • reaction times of the sensors for measuring at least two gas components can not be represented by metal oxide semiconductor sensors.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method and an apparatus for the simultaneous detection of the concentration of carbon monoxide and methane.
  • the invention is based on the use of spectroscopy with monochromatic wavelength tunable light sources.
  • laser diodes are used in particular.
  • the invention is based on the simultaneous detection of the carbon monoxide and methane concentration in the spectroscopy with a monochromatic tunable in wavelength light source, in particular laser spectroscopy, wherein the measuring gas is acted upon in an absorption path and by means of a photodetector an absorption spectrum of the in a Ab-. Suction path located measuring gas is recorded where ⁇ at least the absorption bands of carbon monoxide and methane are present.
  • a monochromatic tunable in wavelength light source in particular laser spectroscopy
  • a Laserdio ⁇ de For rapid detection of the concentrations of both carbon monoxide and methane, it is advantageous to use a Laserdio ⁇ de, in particular to use a VCSEL.
  • the selection of the frequency of the laser diode is such that in a monochrome tuning the absorption bands of both carbon monoxide and methane are swept over. Recorded absorption spectra are evaluated not only on the Exis ⁇ tence of these gases, but the concentrations of the gases will be determined. This can be done by evaluating the corresponding amplitudes for respective bands.
  • the reference cell advantageously contains at least one target gas, so that a reference measurement can be made for this.
  • monitoring of the carbon monoxide concentration can serve, for example. Accordingly, it is possible to monitor and regulate an optimal combustion state by readjustment in the event of deviations from a desired value.
  • the method can be advantageously used in buildings that are heated with gas burners. Can be monitored ne ⁇ ben carbon monoxide concentration and the Me thankonzentra- tion wherein the fuel used has proportions of methane.
  • Figure 1 shows a measured derivative spectrum in the range of 2.363-2.368 microns with the absorption lines of
  • FIG. 2 shows the installation location of a CO / CH 4 sensor in the exhaust gas of a gas burner
  • FIG. 3 shows the installation location in a living space which is in connection with the operating room of a gas heater / gas boiler.
  • a monitoring function registers both the carbon monoxide and the methane concentration in an exhaust gas and runs in such a way that the carbon monoxide concentration rises above the ignition limit as the oxygen deficiency increases during combustion. With further increased lack of oxygen and unburned hydrocarbons such as methane get into the exhaust gas. The carbon monoxide concentration may drop again. In other words, a dangerous operating condition can not be unequivocally detected by monitoring the carbon monoxide concentration alone. Only the simultaneous measurement of carbon monoxide and methane enables reliable detection of the respective operating state. If, for example, a combustible gas mixture is present in the exhaust gas tract, this dangerous operating state can be detected directly. For example, a gas water heater in a home in ⁇ stalled, so in particular, two potential hazards occur:
  • a The leakage of the supplied fuel gas, for example natural gas.
  • b The emission of carbon monoxide from the combustion into the room air.
  • Light source such as a VCSEL
  • an absorption path and a photodetector needed.
  • the gas to be examined is located in the absorption measuring section.
  • the monochrome and spectrally tunable light source the absorption spectrum of the gas mixture present in the measuring section was recorded with the photodetector.
  • the target gases are carbon monoxide CO and methane CH4.
  • the proposed wavelength of the light source can be, for example, 2.35 ⁇ m.
  • the laser diode remains monochrome, but can be tuned in the fine range such that let absorb an absorption spectrum of a sample gas. In principle, any wavelength range in which carbon monoxide and methane absorb can be used.
  • the evaluation of the absorption spectrum is based on the concentrations of the individual gases in the mixture. This is done, for example, by comparing the measured spectrum with a calculated spectrum of the gas mixture.
  • a measurement gas line or a reference gas cell is mounted. This is a pre-absorption with a gas.
  • the reference gas cell can be directly in the gas stream or in a separate Be arranged light path. In the latter case, it would contain part of the radiation of the light from the main stream.
  • a separate reference gas cell can be omitted if the housing of the photodetector and / or the housing of the light source are filled with the reference gas and light beams are ⁇ hm practicgebowt accordingly.
  • the reference gas consists either of at least one of the target gases or at least one further gas absorbing in the measurement spectrum.
  • a target gas can be determined, wherein an atom of the gas is replaced by an isotope. Gas mixtures of more than two components are possible.
  • the concentration measurement of carbon monoxide is used to maximize combustion efficiency and avoid unwanted emissions of, for example, carbon monoxide and nitrogen oxide, as well as unburned hydrocarbons.
  • control of the volume flow of air is supplied to the combustion and readjusted depending on the measured CO concentration.
  • Dangerous operating conditions are associated, for example, with an explosion hazard. These operating states can be detected by exceeding defined limit values such as, for example, the MAK values / maximum workplace concentration.
  • Hazardous operating conditions can be detected, for example:
  • a carbon monoxide concentration exceeding a specified limit, at a methane concentration exceeding a specified limit, or at a charac- terized time evolution of carbon monoxide and methane concentrations can be used to assess the condition of a furnace in addition.
  • the combustion exhaust gas contains several percent by volume of water vapor. In the case of incomplete combustion, the moisture concentration drops to about 1% by volume when the flame goes out, to the value of the ambient air.
  • FIG. 1 shows an absorption spectrum which can be covered with a tunable VCSEL in the range from 2.363 to 2.368 ⁇ m, wherein the bands of carbon monoxide / 10 ppm, methane / 85 ppm and water / 1200 ppm are swept over. The numerical values simultaneously indicate the measured concentration.
  • FIG. 2 shows the installation location of a CO / CH 4 sensor in the exhaust gas of a gas or oil burner, which can be regulated via the CO content.
  • the methane content can be determined simultaneously to capture more critical Be ⁇ drove into being for security reasons.
  • the in - is associated with the operation space of a gas heater / gas heater, may be additionally wherein a smoke detector is installed or tegriert in ⁇ .
  • the target gases including water vapor, are lighter than air, so attaching them to the ceiling makes sense.

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Abstract

Verfahren zur Regelung oder Überwachung von Feuerungsanlagen sowie zur Überwachung von Gebäuden mit Gasbrennern unter Einsatz von Spektroskopie mit mindestens einer monochromatischen, in der Wellenlänge durchstimmbaren Lichtquelle, wobei ein Absorptionsspektrum eines Messgases in einer Absorptionsstrecke mit der spektralen Durchstimmung der Lichtquelle mit mindestens einem Photodetektor aufgenommen wird, wobei die Konzentration der Zielgase Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH4) gleichzeitig während einer Durchstimmung der Lichtquelle ermittelbar ist, sowie Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens bestehend aus einer monochromatischen Laserdiode, insbesondere einer VCSEL, einer Absorptionsstrecke, die im Abgasbereich oder in einem durch Leckage gefährdeten Raum positioniert ist, einem Photodetektor zur Aufnahme des durch die Absorptionsstrecke hindurch getretenen Lichtes, einer Auswerteeinheit zur Ermittlung der Konzentration von Zielgasen aus dem überstrichenen Absorptionsspektrum bei einer Durchstimmung des Lasers oder der Laserdiode. Anwendung: Laseroptische Gassensoren bei Gasfeuerungsanlagen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung oder Überwachung von Feuerungsanlagen sowie zur Überwachung von Gebäuden mit Gas- brennern
Die Erfindung betrifft die simultane Erfassung der Konzentration von Kohlenmonoxid und Methan mit Laserabsorptionsspektroskopie. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens vorgestellt. Verfahren und Vorrichtung dienen zur Regelung und/oder zur Überwachung von Feuerungsanlagen beziehungsweise von Gebäuden, in denen Gasbrenner eingesetzt werden .
Es wird die physikalische Gegebenheit ausgenutzt, dass in den Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid (CO) , beispielsweise bei einer Wellenlange von 2,35 μm, neben der Absorptionslinie von Kohlenmonoxid auch die Absorptionslinien von Methan (CH4) oder auch von Wasser (H2O) auftreten. Mit der Auswertung des Spektrums, welches bei Laserspektroskopie betrachtet wird, lassen sich die Konzentrationen sämtlicher im Messgas vorhandener Gase, die eine Absorptionslinie in diesem Bereich aufweisen, ermitteln.
Für die Detektion von einem oder mehreren Gasen in einer Ab- sorptionsstrecke lassen sich unter Anwendung von Spektroskopie, insbesondere Laserspektroskopie, mehrere Gase und deren Konzentration ermitteln. Für die simultane Erfassung der drei oben genannten Gaskomponenten wird eine einzige monochrome abstimmbare Lichtquelle benotigt. Insbesondere kann als
Lichtquelle ein sogenannter VCSEL eingesetzt werden. Dies ist ein kleiner Hochleistungslaser, der in der optischen Übertragungstechnik verwendet wird. Dieser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) zeichnet sich durch eine hohe Daten- rate aus und benotigt gleichzeitig eine geringe Energieauf¬ nahme . Im Stand der Technik sind weiterhin Metalloxid Halbleitergas- sensoren bekannt, die gleichzeitig mindestens zwei Gase in einem Messgasvolumen erfassen können. Diese Sensoren erfordern jedoch, dass eine gassensitive Schicht auf unterschied- liehe Temperaturniveaus gebracht wird, so dass für die jeweilige Detektion eines Gases die gassensitive Schicht die opti¬ male Temperatur aufweist. Dies ist verbunden mit Temperatur- wechselvorgangen beziehungsweise mit Aufheiz- und Abkuhlvor- gangen .
Für bestimmte feuerungstechnische Regelungen oder Überwachungen sind sehr kurze Reaktionszeiten in einem Heizgas Rege- lungs- oder Sicherheitssystem gewünscht. Derartige Reaktionszeiten der Sensoren zur Messung von mindestens zwei Gaskompo- nenten lassen sich jedoch mit Metalloxid-Halbleitersensoren nicht darstellen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur simultanen Erfassung der Konzentra- tion von Kohlenmonoxid und Methan bereitzustellen.
Die Losung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombi¬ nation der entsprechenden Hauptanspruche .
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteranspruchen entnommen werden.
Die Erfindung basiert auf der Verwendung von Spektroskopie mit monochromatischen in der Wellenlange durchstimmbaren Lichtquellen. Hierzu werden insbesondere Laserdioden verwendet.
Die Erfindung beruht auf der gleichzeitig Erfassung der Kohlenmonoxid- und Methankonzentration bei der Spektroskopie mit einer monochromatischen in der Wellenlange durchstimmbaren Lichtquelle, insbesondere Laserspektroskopie, wobei Messgas in einer Absorptionsstrecke beaufschlagt wird und mittels eines Photodetektors ein Absorptionsspektrum des in einer Ab- sorptionsstrecke befindlichen Messgases aufgenommen wird, wo¬ bei mindestens die Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid und von Methan vorhanden sind. Für die Zwecke einer Regelung und/oder Überwachung von Feuerungsanlagen sowie zur Uberwa- chung von Gebäuden mit Gasbrennern ist der Einsatz dieses Verfahrens mit wesentlichen Vorteilen verbunden.
Die simultane Konzentrationsmessung von Kohlenmonoxid und Methan mit einer monochromen durchstimmbaren Lichtquelle, bei- spielsweise einem VCSEL, ermöglicht insbesondere drei Anwen¬ dungen:
1. Regelung von Feuerungsanlagen
2. Sicherheitsuberwachungen von Feuerungsanlagen 3. Überwachung von Gebäuden mit Gasbrennern
Zur schnellen Erfassung der Konzentrationen von sowohl Kohlenmonoxid als auch Methan ist es vorteilhaft, eine Laserdio¬ de, insbesondere einen VCSEL einzusetzen. Die Auswahl der Frequenz der Laserdiode geschieht derart, dass bei einer monochromen Abstimmung die Absorptionsbanden von sowohl Kohlenmonoxid als auch Methan überstrichen werden. Ausgewertet werden aufgenommene Absorptionsspektren nicht nur nach der Exis¬ tenz dieser Gase, sondern es werden die Konzentrationen der Gase ermittelt. Dies kann durch die Auswertung der entsprechenden Amplituden bei jeweiligen Banden geschehen.
Es ist besonders vorteilhaft eine Referenzgaszelle entweder direkt in einem Abgasstrom einer Feuerungsanlage, beziehungs- weise in einem Bypass, zu positionieren. Die Referenzzelle enthalt vorteilhafter Weise zumindest ein Zielgas, so dass für dieses eine Referenzmessung getätigt werden kann. Zur Regelung und zur Optimierung einer Verbrennung kann beispielsweise eine Überwachung der Kohlenmonoxidkonzentration dienen. Entsprechend lasst sich durch Nachregelung bei Abweichungen von einem Sollwert ein optimaler Verbrennungszustand überwachen und regeln. Das Verfahren kann vorteilhaft in Gebäuden eingesetzt werden, die mit Gasbrennern beheizt werden. Überwacht werden kann ne¬ ben der Kohlenmonoxidkonzentration auch die Methankonzentra- tion, wobei der eingesetzte Brennstoff Anteile von Methan aufweist. Es ist vorteilhaft, bei der Überwachung von Abgassystemen und Bauten mit Gasheizungen eine Regelung oder Über¬ wachung derart auszulegen, dass sowohl bei Leckage an Gaszu- fuhrungen, sowie auch bei der Leckage von Abgasleitungen die gemessenen Werte der Kohlenmonoxid- und Methankonzentration in ausreichendem Abstand zu geltenden Zundgrenzen gehalten werden.
Da Vorgange in der Verbrennung beziehungsweise im Abgas nicht lediglich durch die Erfassung und Konzentrationsermittlung von Kohlenmonoxid aufgedeckt werden können, ist es wichtig, wenigstens einen Wert der Methankonzentration gleichzeitig zu ermitteln, um eindeutige Fehlfunktionen von Feuerungsanlagen zu erkennen.
Im Folgenden werden anhand von schematischen begleitenden Figuren Ausfuhrungsbeispiele beschrieben.
Figur 1 zeigt ein gemessenes Derivat-Spektrum im Bereich von 2,363-2,368 μm mit den Absorptionslinien von
CO/10ppm, Methan/85ppm und Wasser/12000ppm wobei die Messung mit einer VCSEL durchgeführt wurde,
Figur 2 zeigt den Einbauort eines CO/CH4-Sensors im Abgas ei- nes Gasbrenners,
Figur 3 zeigt den Einbauort in einem Wohnraum, der in - Verbindung mit dem Betriebsraum einer Gasheizung/Gasboiler steht.
Mit einem VCSEL als Lichtquelle lassen sich verschiedene Anwendungen erschließen. Der wesentliche erzielbare Vorteil ge- genuber dem Stand der Technik liegt darin, dass deutlich geringere Messzeiten bei der Ermittlung von Konzentrationen von mindestens zwei Messgasen ermöglicht werden. Darüber hinaus ist wesentlich geringerer technischer Aufwand als bei Verfah- ren oder Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erforderlich.
Der Betrieb von Feuerungsanlagen kann somit optimal eingestellt werden. Hierbei spielt eine charakteristische Kohlen- monoxidkonzentration eine wesentliche Rolle.
Diese liegt beispielsweise bei einigen 10 ppm CO, beispielsweise bei 14 ppm. Mit einer Kohlenmonoxidkonzentrationsmes- sung lasst sich der optimale Verbrennungszustand überwachen und regeln. Damit wird der größtmögliche Wirkungsgrad erreicht und die Emission unerwünschter Schadstoffe wird minimiert .
Die simultane Erfassung der Kohlenmonoxid- und Methankonzent- ration erlaubt die Realisierung einer erweiterten Uberwa- chungsfunktion von Gasbrennern auf unerwünschte Betriebszustande .
Eine Uberwachungsfunktion registriert sowohl die Kohlenmono- xid- als auch die Methankonzentration in einem Abgas und lauft so ab, dass bei zunehmendem Sauerstoffmangel bei der Verbrennung die Kohlenmonoxidkonzentration bis über die Zund- grenze ansteigt. Bei weiter erhöhtem Sauerstoffmangel gelangen auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Methan in das Abgas. Dabei kann die Kohlenmonoxidkonzentration wieder sinken. Mit anderen Worten kann ein gefährlicher Betriebszustand alleine durch die Überwachung der Kohlenmonoxidkonzentration nicht zweifelsfrei erkannt werden. Erst die gleichzeitige Messung von Kohlenmonoxid und Methan ermöglicht die sichere Erkennung des jeweiligen Betriebszustandes. Liegt beispielsweise ein brennbares Gasgemisch im Abgastrakt vor, so kann dieser gefährliche Betriebszustand unmittelbar er- fasst werden. Ist beispielsweise eine Gastherme in einem Privathaushalt in¬ stalliert, so treten insbesondere zwei potentielle Gefahrenquellen auf:
a. Die Leckage des zugefuhrten Brenngases, beispielsweise Erdgas . b. Das Austreten von Kohlenmonoxid aus der Verbrennung in die Raumluft .
Beide Szenarien fuhren immer wieder zu Unfällen mit schweren Schaden .
Für eine Vorrichtung zur Durchfuhrung eines Verfahrens ent- sprechend der Erfindung wird eine monochrome abstimmbare
Lichtquelle, beispielsweise ein VCSEL, sowie eine Absorptionsstrecke und ein Photodetektor benotigt. Das zu untersuchende Gas befindet sich in der Absorptionsmessstrecke. Mit der monochromen und spektral durchstimmbaren Lichtquelle wur- de das Absorptionsspektrum des in der Messstrecke vorhandenen Gasgemisches mit dem Photodetektor aufgenommen. Die Zielgase sind Kohlenmonoxid CO und Methan CH4.
Die vorgeschlagene Wellenlange der Lichtquelle kann bei- spielsweise bei 2,35 μm liegen. Die Laserdiode bleibt dabei monochrom, lasst sich jedoch im Feinbereich derart abstimmen, dass sich ein Absorptionsspektrum eines Messgases aufnehmen lasst. Prinzipiell kann jeder Wellenlangenbereich, in dem Kohlenmonoxid und Methan absorbieren, verwendet werden. Die Auswertung des Absorptionsspektrums erfolgt nach den Konzentrationen der einzelnen Gase in der Gemischung. Dies geschieht beispielsweise durch Vergleich des gemessenen Spektrums mit einem berechneten Spektrum des Gasgemisches.
Zur Erzielung von Referenzwerten wird in eine Messgasstrecke beziehungsweise eine Referenzgaszelle angebracht. Darin geschieht eine Vorabsorption mit einem Gas. Die Referenzgaszelle kann direkt im Gasstrom oder auch in einem separaten Lichtweg angeordnet sein. In letzterem Fall wurde sie einen Teil der Strahlung des Lichtes aus dem Hauptstrom enthalten.
Auf eine separate Referenzgaszelle kann verzichtet werden, wenn das Gehäuse des Photodetektors und/oder das Gehäuse der Lichtquelle mit dem Referenzgas gefüllt werden und Licht¬ strahlen entsprechend hmdurchgefuhrt werden.
Das Referenzgas besteht entweder mindestens aus einem der Zielgase oder mindestens einem weiteren im Messspektrum absorbierenden Gas. Hier kann beispielsweise ein Zielgas bestimmt werden, wobei ein Atom des Gases durch ein Isotop ersetzt ist. Gasgemische aus mehrer als zwei Komponenten sind möglich .
Die Konzentrationsmessung von Kohlenmonoxid wird dazu verwendet, die Verbrennung möglichst optimal bezüglich des Wirkungsgrades und der Vermeidung unerwünschter Emissionen von beispielsweise Kohlenmonoxid und Stickoxid, sowie unverbrann- ter Kohlenwasserstoffe zu vermeiden. Bei der Regelung wird der Volumenstrom der Luft der Verbrennung zugeführt und in Abhängigkeit der gemessenen CO-Konzentration nachgeregelt.
Gefährliche Betriebszustande sind beispielsweise verbunden mit einer Explosionsgefahr. Diese Betriebszustande können erkannt werden anhand des Überschreitens festgelegter Grenzwerte wie beispielsweise der MAK-Werte /Maximale Arbeitsplatz Konzentration.
Gefahrliche Betriebszustande können beispielsweise erkannt werden an:
Einer Kohlenmonoxidkonzentration, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet, an einer Methankonzentration, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet oder an einer cha- rakteπstischen zeitlichen Entwicklung der Kohlenmonoxid und Methankonzentrationen . Neben Kohlenmonoxid und Methan kann zusätzlich die Konzentra¬ tion von Wasser beziehungsweise Wasserdampf zur Beurteilung des Zustandes einer Feuerungsanlage herangezogen werden. Das Verbrennungsabgas enthalt mehrere Volumenprozent Wasserdampf. Bei unvollständiger Verbrennung sinkt die Feuchte- Konzentration beim Erloschen der Flamme bis auf den Wert der Umgebungsluft ca. 1 vol% ab.
Figur 1 stellt ein mit einer durchstimmbaren VCSEL uber- streichbares Absorptionsspektrum im Bereich von 2.363 bis 2,368 μm dar, wobei die Bande von Kohlenmonoxid/lOppm, Me- than/85ppm und Wasser/1200ppm überstrichen werden. Die Zahlenwerte geben gleichzeitig die gemessene Konzentration an.
Figur 2 zeigt den Einbauort eines CO/CH4-Sensors im Abgas eines Gas- oder Olbrenners, welcher sich über den CO-Gehalt regeln lasst. Zusätzlich kann aus Sicherheitsgründen der Methangehalt simultan ermittelt werden um weitere kritische Be¬ triebszustande zu erfassen.
Figur 3 zeigt den Einbauort in einem Wohnraum, der in - Verbindung mit dem Betriebsraum einer Gasheizung/Gasboiler steht, wobei ergänzend ein Rauchmelder installiert oder in¬ tegriert sein kann. Die Zielgase einschließlich Wasserdampf sind leichter als Luft, so dass die Anbringung an der Decke sinnvoll ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung oder Überwachung von Feuerungsanlagen sowie zur Überwachung von Gebäuden mit Gasbrennern unter Einsatz von Spektroskopie mit mindestens einer monochromatischen in der Wellenlange durchstimmbaren Lichtquelle, wobei ein Absorptionsspektrum eines Messgases in einer Absorptionsstrecke mit der spektralen Durchstimmung der Lichtquelle mit mindestens einem Photodetektor aufgenommen wird und die Kon- zentrationen der Zielgase Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH4) gleichzeitig wahrend einer Durchstimmung der Lichtquelle ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Laserdiode als Lichtquelle eingesetzt wird, insbesondere ein VCSEL/Vertical- Cavity-Surface-Emitt mg-Laser .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Lichtquelle oder Laserdiode bei einer Wellenlange von 2,3 μm durchge- stimmt wird, wobei Absorptionslinien von Kohlenmonoxid und Methan gleichzeitig überstrichen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswertung eines Absorptionsspektrums anhand der für die Zielgase gemessenen Konzentration geschieht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Vorabsorption mit einem Gas eine Referenzgaszelle direkt oder in einer Bypass-Lichtstrecke eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein in der Referenzgaszelle vorhandenes Gas zumindest ein Zielgas enthalt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Absorptionsstrecke im Abgas hinter einer Feuerungsanlage und/oder in einem zu überwachenden Raum, insbesondere im Betriebsraum einer Gastherme, positioniert ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gaskonzentrationen der Zielgase auf vorgegebene Maximalwerte überwacht werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Maximierung des Wirkungsgrades einer Feuerungsanlage eine charakteristische Kohlenmonoxidkonzentration unter 100 ppm überwacht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit einer Uberwachungsfunktion eine Regelung und Überwachung anhand von zeitlichem Konzentrationsverlauf von Kohlen- monoxid und Methan geschieht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem auf der Grundlage der Konzentrationsmessung beider Zielgase ein Erreichen von Zund- grenzen ausgeschlossen wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sowohl eine Leckage von zu einer Feuerungsanlage zuge- fuhrtem Brenngas, welches Anteile von Methan enthalt, über¬ wacht wird, als auch eine Leckage von Kohlenmonoxid, welches aus einer Feuerungsanlage in die Raumluft entweicht.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtquelle bezüglich ihrer Frequenz derart ausge¬ wählt ist, dass bei der Durchstimmung der Lichtquelle zusätzlich eine charakteristische Bande von Wasser (H2O) uberstπ- chen und ausgewertet wird, um den Zustand einer Feuerungsanlage zu beurteilen.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Kohlenmonoxidkonzentration, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet, kombiniert wird mit der Konzentrati¬ on von Methan, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet, und/oder ein charakteristischer zeitlicher Verlauf der Kohlenmonoxid- und Methankonzentrationen zur Vermeidung gefährlicher Betriebszustande überwacht wird.
15. Vorrichtung zur Durchfuhrung eines Verfahrens entspre- chend einem der Ansprüche 1 bis 14, bestehend aus
- monochromatischem Laser oder Halbleiterlaser, insbesondere einem VCSEL,
- einer Absorptionsstrecke, die im Abgasbereich oder in einem durch Leckage gefährdeten Raum positioniert ist, und
- einem Photodetektor zur Aufnahme des durch die Absorptionsstrecke hindurch getretenen Lichtes,
- einer Auswerteeinheit zur Ermittlung vorhandener Zielgase und/oder deren Konzentration aus dem uberstπchenen Absorpti- onsspektrum bei einer Durchstimmung des Lasers oder Halblei- terlasers .
EP09780118A 2008-07-09 2009-07-03 Verfahren und vorrichtung zur regelung oder überwachung von feuerungsanlagen sowie zur überwachung von gebäuden mit gasbrennern Withdrawn EP2304320A2 (de)

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