EP2304320A2 - Method and device for controlling or monitoring firing systems and for monitoring buildings having gas burners - Google Patents

Method and device for controlling or monitoring firing systems and for monitoring buildings having gas burners

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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
European Patent Office
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gas
carbon monoxide
light source
absorption
methane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09780118A
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German (de)
French (fr)
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Jia Chen
Andreas Hangauer
Hans Link
Rainer Strzoda
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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
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    • G01J3/4338—Frequency modulated spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
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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
    • 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.

Abstract

The invention relates to a method for controlling or monitoring firing systems and for monitoring buildings having gas burners using spectroscopy having at least one monochromatic light source which is wavelength-tunable, wherein an absorption spectrum of a measuring gas is received with at least one photodetector in an absorption path with the spectral tuning of the light source, and the concentration of the target gases carbon monoxide (CO) and methane (CH4) can be determined simultaneously during tuning of the light source. The invention also relates to a device for carrying out the method, comprising a monochromatic laser diode, in particular a VCSEL, an absorption path positioned in the exhaust gas region or in a space endangered by leakage, a photodetector for receiving the light passed through the absorption path, an evaluation unit for determining the concentration of target gases on the basis of the absorption spectrum covered during tuning of the laser or the laser diode. Application: laser-optical gas sensors in gas firing systems.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung oder Überwachung von Feuerungsanlagen sowie zur Überwachung von Gebäuden mit Gas- brennernMethod and device for controlling or monitoring combustion plants and for monitoring buildings with gas burners
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 .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.
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.It is exploited the physical fact that in the absorption bands of carbon monoxide (CO), for example, at a wavelength of 2.35 microns, in addition to the absorption line of carbon monoxide and the absorption lines of methane (CH4) or water (H2O) occur. With the evaluation of the spectrum, which is considered in laser spectroscopy, the concentrations of all gases present in the sample gas, which have an absorption line in this area, can be determined.
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 alsFor the detection of one or more gases in an absorption section, it is possible to determine a plurality of gases and their concentration using spectroscopy, in particular laser spectroscopy. For the simultaneous detection of the three gas components mentioned above, a single monochrome tunable light source is needed. In particular, as
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 .Light source a so-called VCSEL be used. This is a small high power laser used in optical transmission technology. This VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) is characterized by a high data rate needed, and at the same time a low Energieauf ¬ acquisition. In the prior art, metal oxide semiconductor gas sensors are also known, which can simultaneously detect at least two gases in a sample gas volume. However, 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.
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.For certain combustion control regulations or monitoring, very short reaction times in a heating gas control or safety system are desired. However, such reaction times of the sensors for measuring at least two gas components can not be represented by metal oxide semiconductor sensors.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur simultanen Erfassung der Konzentra- tion von Kohlenmonoxid und Methan bereitzustellen.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.
Die Losung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombi¬ nation der entsprechenden Hauptanspruche .The solution of this task is done by the feature combination ¬ nation of the corresponding main claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteranspruchen entnommen werden.Advantageous embodiments can be taken from the subclaims.
Die Erfindung basiert auf der Verwendung von Spektroskopie mit monochromatischen in der Wellenlange durchstimmbaren Lichtquellen. Hierzu werden insbesondere Laserdioden verwendet.The invention is based on the use of spectroscopy with monochromatic wavelength tunable light sources. For this purpose, laser diodes are used in particular.
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.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. For the purposes of regulation and / or monitoring of combustion plants and of monitoring buildings with gas burners, the use of this process has significant advantages.
Die simultane Konzentrationsmessung von Kohlenmonoxid und Methan mit einer monochromen durchstimmbaren Lichtquelle, bei- spielsweise einem VCSEL, ermöglicht insbesondere drei Anwen¬ dungen:The simultaneous concentration measurement of carbon monoxide and methane with a monochrome tunable light source, game as examples a VCSEL, enables particular three appli ¬ compounds:
1. Regelung von Feuerungsanlagen1. Control of combustion plants
2. Sicherheitsuberwachungen von Feuerungsanlagen 3. Überwachung von Gebäuden mit Gasbrennern2. Safety monitoring of combustion plants 3. Monitoring of buildings with gas burners
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.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.
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.It is particularly advantageous to position a reference gas cell either directly in an exhaust gas stream of a furnace or in a bypass. The reference cell advantageously contains at least one target gas, so that a reference measurement can be made for this. For controlling and optimizing combustion, 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 Methankonzentra- tion wherein the fuel used has proportions of methane. It is advantageous to design a system or over ¬ monitoring in such a way in the monitoring of exhaust systems and buildings with gas heaters, Guided Tours that both leakage of gas supply, as well as in the leakage of exhaust pipes, the measured values of carbon monoxide and methane concentration at a sufficient distance to current limits.
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.Since processes in the combustion or in the exhaust gas can not be revealed merely by detecting and determining the concentration of carbon monoxide, it is important to determine at least one value of the methane concentration at the same time in order to detect clear malfunctions of combustion plants.
Im Folgenden werden anhand von schematischen begleitenden Figuren Ausfuhrungsbeispiele beschrieben.Exemplary embodiments will be described below with reference to schematic accompanying figures.
Figur 1 zeigt ein gemessenes Derivat-Spektrum im Bereich von 2,363-2,368 μm mit den Absorptionslinien vonFigure 1 shows a measured derivative spectrum in the range of 2.363-2.368 microns with the absorption lines of
CO/10ppm, Methan/85ppm und Wasser/12000ppm wobei die Messung mit einer VCSEL durchgeführt wurde,CO / 10ppm, methane / 85ppm and water / 12000ppm where the measurement was done with a VCSEL
Figur 2 zeigt den Einbauort eines CO/CH4-Sensors im Abgas ei- nes Gasbrenners,FIG. 2 shows the installation location of a CO / CH 4 sensor in the exhaust gas of a gas burner,
Figur 3 zeigt den Einbauort in einem Wohnraum, der in - Verbindung mit dem Betriebsraum einer Gasheizung/Gasboiler steht.FIG. 3 shows the installation location in a living space which is in connection with the operating room of a gas heater / gas boiler.
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.With a VCSEL as a light source, various applications can be exploited. The main achievable advantage Compared to the prior art is that significantly shorter measurement times in the determination of concentrations of at least two sample gases are possible. In addition, significantly less technical effort than in the case of methods or devices according to the prior art is required.
Der Betrieb von Feuerungsanlagen kann somit optimal eingestellt werden. Hierbei spielt eine charakteristische Kohlen- monoxidkonzentration eine wesentliche Rolle.The operation of combustion plants can thus be optimally adjusted. Here, a characteristic carbon monoxide concentration plays an essential role.
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 .This is, for example, some 10 ppm CO, for example 14 ppm. With a carbon monoxide concentration measurement, the optimal combustion state can be monitored and regulated. This achieves the highest possible efficiency and minimizes the emission of undesired pollutants.
Die simultane Erfassung der Kohlenmonoxid- und Methankonzent- ration erlaubt die Realisierung einer erweiterten Uberwa- chungsfunktion von Gasbrennern auf unerwünschte Betriebszustande .The simultaneous detection of the carbon monoxide and methane concentration allows the realization of an extended monitoring function of gas burners for undesired operating states.
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 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. Die Leckage des zugefuhrten Brenngases, beispielsweise Erdgas . b. Das Austreten von Kohlenmonoxid aus der Verbrennung in die Raumluft .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.
Beide Szenarien fuhren immer wieder zu Unfällen mit schweren Schaden .Both scenarios repeatedly lead to accidents involving serious damage.
Für eine Vorrichtung zur Durchfuhrung eines Verfahrens ent- sprechend der Erfindung wird eine monochrome abstimmbareFor a device for carrying out a method according to the invention, a monochrome tunable
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.Light source, such as a VCSEL, and an absorption path and a photodetector needed. The gas to be examined is located in the absorption measuring section. With 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.
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.The proposed wavelength of the light source can be, for example, 2.35 μm. 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.
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.To obtain reference values, 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.
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.In 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 ¬ hmdurchgefuhrt accordingly.
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 .The reference gas consists either of at least one of the target gases or at least one further gas absorbing in the measurement spectrum. Here, for example, 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.
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.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. In the control of the volume flow of air is supplied to the combustion and readjusted depending on the measured CO concentration.
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.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.
Gefahrliche Betriebszustande können beispielsweise erkannt werden an:Hazardous operating conditions can be detected, for example:
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.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. In addition to carbon monoxide and methane, the Konzentra ¬ tion of water or water vapor 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.
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.FIG. 1 shows an absorption spectrum which can be covered with a tunable VCSEL in the range from 2.363 to 2.368 μm, 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.
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.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. In addition, the methane content can be determined simultaneously to capture more critical Be ¬ drove into being for security reasons.
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. 3 shows the installation in a housing, 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.

Claims

Patentansprüche claims
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.1. A method for controlling or monitoring of combustion plants and for monitoring buildings with gas burners using spectroscopy with at least one monochromatic wavelength tunable light source, wherein an absorption spectrum of a measuring gas is recorded in an absorption path with the spectral tuning of the light source with at least one photodetector and the concentrations of the target gases carbon monoxide (CO) and methane (CH4) are determined simultaneously during a tuning of the light source.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Laserdiode als Lichtquelle eingesetzt wird, insbesondere ein VCSEL/Vertical- Cavity-Surface-Emitt mg-Laser .2. The method of claim 1, wherein a laser diode is used as a light source, in particular a 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.3. The method of claim 1 or 2, wherein a light source or laser diode is tuned at a wavelength of 2.3 microns, wherein absorption lines of carbon monoxide and methane are swept simultaneously.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswertung eines Absorptionsspektrums anhand der für die Zielgase gemessenen Konzentration geschieht.4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the evaluation of an absorption spectrum based on the measured concentration for the target gases.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Vorabsorption mit einem Gas eine Referenzgaszelle direkt oder in einer Bypass-Lichtstrecke eingesetzt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the pre-absorption with a gas, a reference gas cell is used directly or in a bypass light path.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein in der Referenzgaszelle vorhandenes Gas zumindest ein Zielgas enthalt.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein a gas present in the reference gas cell contains at least one target gas.
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. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the absorption path is positioned in the exhaust gas behind a furnace and / or in a space to be monitored, in particular in the operating room of a gas boiler.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gaskonzentrationen der Zielgase auf vorgegebene Maximalwerte überwacht werden.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the gas concentrations of the target gases are monitored to predetermined maximum values.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Maximierung des Wirkungsgrades einer Feuerungsanlage eine charakteristische Kohlenmonoxidkonzentration unter 100 ppm überwacht wird.A method according to any one of the preceding claims, wherein to maximize the efficiency of a furnace, a characteristic carbon monoxide concentration below 100 ppm is monitored.
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.10. The method according to any one of the preceding claims, in which with a monitoring function, a control and monitoring based on temporal concentration course of carbon monoxide and methane happens.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem auf der Grundlage der Konzentrationsmessung beider Zielgase ein Erreichen von Zund- grenzen ausgeschlossen wird.11. The method of claim 10, wherein on the basis of the concentration measurement of both target gases reaching a Zund- limits is excluded.
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.12. The method according to any one of the preceding claims, in which contains both a leakage of a combustion plant conces- fuhrtem fuel gas that proportions of methane, is monitored over ¬, as well as leakage of carbon monoxide, which escapes from a combustion plant into the room air.
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.13. The method according to any one of the preceding claims, wherein the light source in terms of their frequency is selected so ¬ that in the tuning of the light source in addition a characteristic band of water (H2O) uberstπ- chen and evaluated to the state of a firing system judge.
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.14. The method according to one in which a carbon monoxide concentration exceeds a predetermined threshold, combining of the preceding claims, with the concentra ¬ on methane which exceeds a predetermined threshold, and / or a characteristic time course of Carbon monoxide and methane concentrations to avoid dangerous operating conditions is monitored.
15. Vorrichtung zur Durchfuhrung eines Verfahrens entspre- chend einem der Ansprüche 1 bis 14, bestehend aus15. Apparatus for carrying out a method according to one of claims 1 to 14, consisting of
- monochromatischem Laser oder Halbleiterlaser, insbesondere einem VCSEL,monochromatic laser or semiconductor laser, in particular a VCSEL,
- einer Absorptionsstrecke, die im Abgasbereich oder in einem durch Leckage gefährdeten Raum positioniert ist, undan absorption section positioned in the exhaust area or in a leakage-prone space, and
- einem Photodetektor zur Aufnahme des durch die Absorptionsstrecke hindurch getretenen Lichtes,a photodetector for receiving the light passed through the absorption path,
- einer Auswerteeinheit zur Ermittlung vorhandener Zielgase und/oder deren Konzentration aus dem uberstπchenen Absorpti- onsspektrum bei einer Durchstimmung des Lasers oder Halblei- terlasers . an evaluation unit for determining existing target gases and / or their concentration from the excess absorption spectrum when the laser or semiconductor laser is tuned.
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