DE4443016A1

DE4443016A1 - Gasanalytisches Meßgerät

Info

Publication number: DE4443016A1
Application number: DE4443016A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr Hartig; Juergen Dipl Ing Kaufmann
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1996-06-05
Also published as: US5781306A; CA2164249A1

Description

Die Erfindung betrifft ein gasanalytisches Meßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Gasmeßgeräte werden z. B. an Abgaskanälen angeordnet, um die im Abgasstrom enthaltenen schädlichen Gase, insbesondere SO₂, NO, NH₃, CO und dergleichen hinsichtlich ihrer Konzentration zu ermitteln.

Beschreibung des bekannten Standes der Technik

Zur Realisierung dieser Meßaufgabe sind dazu heute im wesentlichen zwei Prinzipien bekannt:

1) Das in situ-Prinzip

Bei der in situ-Messung wird die Konzentration der Gasbeladung direkt durch spektralanalytische Messung im Hauptabgasstrom ausgeführt.

2) Das Extraktiv-Prinzip

Bei der extraktiven Messung wird aus dem Hauptgasstrom eine Teilgasmenge abgeleitet, aufbereitet und einem außerhalb liegenden Meßort/Meßgerät zugeführt. Aus der Bestimmung der Konzentration des Teilgasstromes wird dann die Gesamtkonzentration des Hauptgasstromes hochgerechnet. Nach der Messung wird der Teilgasstrom wieder dem Abgasstrom zugeführt.

Beide Meßprinzipien haben Vor- und Nachteile und zählen in den verschiedensten Ausführungen heute zum Stand der Technik.

Die hier vorliegende Erfindung gehört zur Gruppe der in situ-Systeme und beschreibt ein spezielles Meßrohr, das in den Abgaskanal hineinragt, vom Abgas durchströmt wird und damit, zusammen mit einem an der Außenwand des Abgaskanals angebrachten Meßkopfes, die kontinuierliche Messung des Gasstromes ermöglicht wird, ohne diesen zu verändern. Dabei wird, ausgehend von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, deren Spektrum zumindest die für die Messung erforderlichen Spektralbereiche der zu bestimmenden Gase aussendet, eine Meßstrecke durchstrahlt, am Ende der Meßstrecke von einem dafür vorgesehenen Reflektor die Strahlung im wesentlichen in sich zurückgeworfen, in einem Analysator spektral zerlegt, und dann einer Photoempfangsanordnung zugeführt. Damit werden elektrische Signale erzeugt, die jeweils einer bestimmten Wellenlänge bzw. einem engen Wellenlängenbereich zugeordnet sind, welche einer Auswerteelektronik zugeführt werden, und damit in Abhängigkeit von den empfangenen Signalen die Bestimmung der Gaskonzentration ermöglichen.

Nachteile des bekannten Standes der Technik

Problematisch ist jedoch bei diesen spektralanalytischen Gasmeßgeräten, daß das in den Abgaskanal hineinragende Meßrohr direkt einer zum Teil extremen Umfeldbelastung (Schmutz, Temperatur, aggressive Medien) ausgesetzt ist und deshalb oft nur mit erheblichem Aufwand die Funktionsfähigkeit des Meßrohres über vertretbare Standzeiten erzielbar ist.

Bekannt in diesem Zusammenhang ist, den Meßgasbereich innerhalb des Meßrohres mit einer porösen, gasdurchlässigen, aber Staubpartikel abscheidenden Keramikhülle zu umschließen und diese durch zyklische Überdruckphasen frei zu blasen, d. h. zu reinigen.

Zum anderen ist es erforderlich, in regelmäßigen Abständen die langzeitige Meßwertstabilität zu überprüfen (oftmals eine Forderung der Zulassungsbehörden dieser Meßsysteme), um die erforderliche Meßsicherheit erreichen zu können.

Es gehört ebenfalls zum Stand der Technik, diese Referenzzyklen durch Einschalten einer mit einem Referenz-Kalibriergas gefüllten Zelle (Küvette) in den Strahlengang auszuführen.

Ein Nachteil dieses Standes der Technik ist darin zu sehen, daß diese Referenzzelle außerhalb des Abgasstromes angeordnet ist und damit ein anderes Temperaturverhalten als der eigentliche Abgasstrom aufweist. Wenn sich jedoch Referenzzelle und Abgasstrom, d. h. Referenzgastemperatur und Abgastemperatur nicht auf gleicher Temperatur befinden, führt dies zu Meßfehlern und muß durch aufwendige Korrekturmaßnahmen korrigiert oder ausgeglichen werden.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Gerät zur spektralanalytischen Gasmessung zu schaffen, das mit möglichst geringem Aufwand gleichzeitig aber bei hoher Zuverlässigkeit und Standzeit stabile Meßergebnisse liefert.

Lösung der Aufgabe

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Gemäß der Erfindung ist also innerhalb des Meßrohres eine offene, für das Meßgas frei durchströmbare Spaltöffnung vorgesehen. Die optisch wirksame Begrenzung der Spaltöffnung beidseitig in Meßrohrachse wird durch einen Luftüberdruck im Meßrohrinneren sichergestellt. Dieses Luftpolster am Rande der Spaltöffnung wird aufgebaut durch externe, spektral neutrale Spülluft, die über zwei Ringflansche im Inneren des Meßrohres austritt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß außerhalb des Meßspaltes die Lanze im Inneren abgasfreie und saubere Räume aufweist, in denen weitere für die Funktion notwendige optische Komponenten, wie z. B. der Retroreflektor, angeordnet werden können. Der Druck in den Spülgasräumen darf jedoch nur so viel höher als im umgebenden Raumbereich sein, daß zwar kein im Raumbereich befindliches Abgas in die Spülgaskanäle eindringt, andererseits aber das Spülgas nicht eine merkliche Menge von Abgas aus der Querdurchströmöffnung verdrängt.

Weiterhin ist zur Erfüllung der geforderten Langzeit stabilität der Meßergebnisse vorgesehen, in das Meßrohr, zwischen dem spektralanalytischen Meßkopf und dem Meßrohr, ein Referenzrohr mit einer gegen den Abgasstrom abgedichteten Auditzelle einzusetzen. Damit diese Auditzelle möglichst optimal mit dem Abgasstrom im thermischen Gleichgewicht steht, sind weitere Öffnungen in dem Referenzrohr vorgesehen, so daß die Zelle direkt vom Abgasstrom umspült wird und damit thermisch angeglichen ist. Durch diese (in optischer Strahlrichtung betrachtet) serielle Anordnung von Auditzelle und Meßspalt ist es möglich, einen einfachen und vom Prinzip sicheren Funktionsablauf sowohl in der Meß- als auch Referenzphase sicherzustellen.

Vorteile der Erfindung

Die sich aus der erfindungsgemäßen Ausführung des Meßrohres ergebenden Vorteile sind darin zu sehen, daß der zu messende Abgasstrom nahezu ungehindert und unbeeinflußt durch den Meßspalt durchgeführt wird und damit unverfälscht zur Messung zur Verfügung steht. Ebenfalls kann über die wirksame Meßspaltlänge zumindest in Grenzen eine Empfindlichkeitsanpassung an den anlagenbedingten Zustand des Abgasstromes durchgeführt werden. Darüber hinaus ermöglicht die im Referenzrohr befindliche Auditzelle, welche extern mit verschiedenen Referenzgasen in unterschiedlicher Konzentration gefüllt werden kann, dem spektralanalytischen Meßkopf, auf gleichem optischen Wege wie bei der eigentlichen Abgasmessung, die Referenzwerte zu ermitteln.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines an einem Abgaskanal angebrachten erfindungsgemäßen Gasmeßgerätes,

Fig. 2 eine Ansicht des Gegenstandes der Fig. 1 von unten ohne den Meßkopf und ohne die Wand des Abgaskanals, und

Fig. 3 einen Schnitt des Gegenstandes der Fig. 2 nach Linie III-III.

In Fig. 1 ist schematisch ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen spektralanalytischen Gasmeßgerät dargestellt. Darin ist zu sehen, daß ein sich in einem Abgaskanal 3 quer zur durch Pfeile gekennzeichneten Strömungsrichtung erstreckendes und kombiniertes Meß-Referenz-Rohr 1, 23 an der Außenwand 2 des Abgaskanals 3 mit einer lösbaren Wandverbindung 4 befestigt ist. An dem Rohrende außerhalb des Abgaskanals 3 ist über einen Verbindungsflansch 5 ein spektralanalytischer Meßkopf 6 angeschraubt. Weiterhin zeigt Fig. 1 schematisch zwischen dem Verbindungsflansch 5 und der Wandverbindung 4 ein Spülluftzufuhrrohr 28 mit einem seitlichen Einströmstutzen 7 für extern zugeführte Spülluft. Neben den hier nicht weiter dargestellten elektrischen Versorgungs-/und Signalausgangs leistungen von und zum spektralanalytischen Meßkopf 6 sind eine Prüfgas-Eingangsöffnung 8 sowie eine Prüfgas-Ausgangs öffnung 9 angedeutet.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß in dem Meßrohr 1 eine rechteckförmige Querdurchströmöffnung in Form eines Meßspaltes 10 vorhanden ist, durch welche das Meßgas über einen definierten Querschnitt hindurchströmt. Im dem dem Meßrohr 1 vorgeschalteten Referenzrohr 23 ist eine weitere Querdurchströmöffnung in Form eines Referenzspaltes 11 vorgesehen, welcher parallel zum Meßspalt 10 verläuft. Innerhalb des Referenzspaltes 11 befindet sich eine weiter unten im einzelnen beschriebene Auditzelle 12 in direktem Kontakt mit dem das Meßrohr 1 und das Referenzrohr 23 umgebenden Abgaskanal 3.

Durch den Verbindungsflansch 5, der ringförmig eine Seite des an den Eingang des Referenzrohres 23 anschließenden Spülluftzufuhrrohres 28 abschließt, sind die Zuleitung 13 und Ableitung 14 des Referenzgases für die Auditzelle 12 sichtbar. Eine mechanische Schubstange 15 dient zur Steuerung des Nullpunktreflektors 18, welcher im folgenden im einzelnen anhand von Fig. 3 beschrieben wird.

Die relative Anordnung der einzelnen Bauelemente des erfindungsgemäßen Gasmeßgerätes ergibt sich aus der folgenden Funktionsbeschreibung anhand von Fig. 3.

Die elektromagnetische Strahlung tritt auf der Verbindungsflanschseite in den Innenraum des Referenzrohres 23 ein und gelangt über das Zellfenster 16 in die Auditzelle 12. Über das Zellenfenster 17 erfolgt der Austritt der Strahlung. Befindet sich das Meßsystem in der Meßgasphase, ist die Auditzelle 12 mit spektral neutraler Atmosphäre gefüllt, d. h. es befindet sich kein Referenzgas im Inneren. Ebenfalls ist auch der Nullpunktreflektor 18, wie in Fig. 3 dargestellt, in der ausgeschwenkten Position geparkt. Die elektromagnetische Strahlung kann deshalb ungehindert in das Meßrohr 1 eintreten und dann durch den Ringflansch 19, den Meßspalt 10 und einen weiteren Ringflansch 20 bis zu einem Retroreflektor 21 gelangen. An diesem Retroreflektor 21 wird die auftreffende Strahlung in Autokollimination zurückreflektiert. In umgekehrter Reihenfolge wird das Meßrohr 1 nun erneut durchstrahlt, so daß in Abhängigkeit von der optischen Filterwirkung des Meßgases die Strahlung spektral beeinflußt wieder in den Meßkopf 6 eintritt.

Mit Hilfe eines im Meßkopf vorhandenen Analysators wird diese Strahlung spektral zerlegt und danach einer Photoempfangsanordnung zugeführt. Damit werden elektrische Signale erzeugt, die jeweils einer bestimmten Wellenlänge bzw. einem engen Wellenlängenbereich zugeordnet sind. In einer Auswerteelektronik werden dann diese Signale verarbeitet und so die Bestimmung der Gaskonzentration im Meßgasbereich ermöglicht. Über einen durch Kalibrierung zu ermittelnden Umrechnungsfaktor kann somit auf die Gesamtkonzentration im Abgaskanal 3 hochgerechnet werden.

Um die notwendige Langzeitstabilität des Meßsystems zu erreichen, wird zyklisch (typischerweise 1 bis 3 mal täglich) die Auditzelle 12 über die Zuleitung 13 mit Gasen genau bekannter, jedoch unterschiedlicher Konzentration (niedrig, mittel, hoch) gefüllt. Dazu wird der im Meßsystem geparkte Nullpunktreflektor 18 programmgesteuert über eine Schubstange 15, die z. B. elektrisch angetrieben wird, eingeschwenkt. Die Strahlung wird somit bereits am Ausgang der Auditzelle 12 zurückgeworfen und äquivalent dem zuvor beschriebenen Verfahren spektral zerlegt und ausgewertet. Da jedoch in diesen Fällen die Konzentration des Gases in der Auditzelle 12 bekannt ist, kann die ermittelte Meßgröße als Referenz verwendet werden. Durch die unterschiedlichen Konzentrationszustände des Referenzgases ist es ferner möglich, auch das gesamte dynamische Verhalten des Meßsystems an mehreren Stützstellen zu erfassen und in der Auswerteschaltung zu berücksichtigen.

Um den Innenraum des Meßrohres 1 auch im rauhen Betrieb über längere Zeiten sauber zu halten, wird über die beiden Ringflansche 19 und 20 saubere Spülluft in vom Meßspalt 10 abgewandte Endbereiche von Spülluftrohrbereichen 29, 30 in Richtung des Meßspaltes 10 geblasen, um somit die Spülluftrohrbereiche 29, 30 mit einem Luftpuffer zu verschließen. Auf diese Weise entsteht im Inneren des Meßrohres 1 außerhalb des Meßspaltes 10 ein geringer Luftüberdruck, der das Eindringen von Verunreinigungen über den Meßspalt verhindert. Alternativ kann zusätzlich vor dem Ringflansch 19 bzw. nach dem Ringflansch 20 eine für den verwendeten Spektralbereich transparente Abdeckscheibe 24, 25 eingebaut werden, um im Störfall (z. B. Ausfall des Spülluftsystems) eine Verunreinigung der Räume 26, 27 im Bereich des Nullpunktreflektors 18 bzw. des Retroreflektors 21 zu vermeiden.

Erfindungsgemäß ist die Außenwand des Meßrohres 1 und des Referenzrohres 23 teilweise als geschlossenes Kreissegment doppelwandig ausgeführt, so daß dadurch Luftkanäle 22, 22′ zur Zuleitung der Spülluft zu den Ringflanschen 19 und 20 gebildet werden. Diese konstruktive Gestaltung ist darüber hinaus deshalb als positiv anzusehen, weil dadurch die mechanische Stabilität des Meßrohres deutlich erhöht wird.

Bezugszeichenliste

1 Meßrohr
2 Außenwand
3 Raumbereich (Abgaskanal)
4 Wandverbindung
5 Verbindungsflansch
6 Spektralanalytischer Meßkopf
7 Einströmöffnung
8 Eingangsöffnung
9 Prüfgas-Ausgangsöffnung
10 Meßspaltöffnung
11 Durchbruch
12 Auditzelle
13 Zuleitung
14 Ableitung
15 Schubstange
16 Zellenfenster
17 Zellenfenster
18 Nullpunktreflektor
19 Ringflansch
20 Ringflansch
21 Meßreflektor (Retroreflektor)
22 Innenraum
22′ Innenraum
23 Referenzrohr
24 Abdeckscheibe
25 Abdeckscheibe
26 Raum
27 Raum
28 Spülgaszufuhrrohr
29 Spülluftrohrbereich
30 Spülluftrohrbereich

Claims

1. Spektralanalytisches Gasmeßgerät zur Bestimmung der Anwesenheit und/oder Konzentration von Gasen in einem Raumbereich (3) mit einem in oder an dem Raumbereich (3) anbringbaren spektralanalytischen Meßkopf (6), der zur Bestimmung der Gase erforderliche Spektralbereiche aufweisende Meßstrahlen in den Raumbereich (3) aussendet, und mit einem Meßreflektor (21), vorzugsweise einem Retroreflektor, im oder am Raumbereich (3), der das zumindest durch einen Teil des Raumbereiches (3) hindurchgetretene Licht zum Meßkopf (6) zurück reflektiert, wo es in einem Analysator spektral zerlegt und dann einer Photoempfangsanordnung zugeführt wird, die elektrische Signale erzeugt, welche jeweils einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellen längenbereich zugeordnet und an einer Auswerteelektrode angelegt sind, die in Abhängigkeit von den empfangenen Signalen die Anwesenheit und/oder Konzentration der Gase bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem von der Meßstrahlung durchlaufenden Raumbereich ein sich in Lichtausbreitungsrichtung erstreckendes Meßrohr (1) vorgesehen ist, welches eine mit dem umgebenden Raumbereich (3) kommunizierende Querdurchströmöffnung (10) aufweist, am vom Meßkopf (6) abgewandten Ende verschlossen ist und den Meßreflektor (21) aufnimmt und beidseits der Querdurchströmöffnung (10) mit gegenüber dem Raumbereich (3) unter leichtem Überdruck stehenden, bezüglich des Meßspektralbereiches spektral neutralem Spülgas, insbesondere Spülluft, beschickt ist.

2. Gasmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querdurchströmöffnung (10) in Richtung der Strömung des in dem Raumbereich (3) befindlichen Gases verläuft.

3. Gasmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülgaszufuhr in den von der Querdurchström öffnung (10) abgewandten Endbereichen des Meßrohres (1) vorgesehen ist.

4. Gasmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querdurchströmöffnung (10) als ein Querspalt (10) ausgebildet ist.

5. Gasmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr doppelwandig ausgebildet ist und der Innenraum (22) der Doppelwand als Spülgaszuführung dient.

6. Gasmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßrohr (1) ein Referenzrohr (23) vorgeschaltet ist, welches ebenfalls von der Meßstrahlung durchquert wird, daß in dem Referenzrohr (23) eine in definierter Weise mit einem oder mehreren Referenzgasen füllbare Referenzzelle (12) vorgesehen ist, die zumindest gegenüber dem Meßrohr (1) und vorzugsweise auch gegenüber dem Meßkopf (6) durch ein Fenster (16; 17) abgeschlossen ist, und daß an dem dem Meßrohr (1) zugewandten Ende des Referenzrohres (23) ein ein- und ausschwenkbarer Nullpunktreflektor (18) vorgesehen ist.

7. Gasmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullpunktreflektor (18) in einem beidseits durch Fenster (17, 24) abgeschlossenen Raum (26) angeordnet ist.

8. Gasmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (27) vor dem Meßreflektor (21) durch ein Fenster (25) abgeschlossen ist.

9. Gasmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Referenzzelle (12) eine weitere Querdurchströmöffnung (11) vorgesehen ist.

10. Gasmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Querdurchströmöffnung (11) in Richtung der Strömung des in dem Raumbereich (3) befindlichen Gases verläuft.

11. Gasmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Referenzrohr (23) doppelwandig ausgebildet ist, der Innenraum (22′) der Doppelwand als Spülgas zuführung dient und die Innenräume (22, 22′) des Meß- und des Referenzrohres (1, 23) in Strömungsverbindung stehen.

12. Gasmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß die Referenzzelle eine Auditzelle (12) ist.

13. Gasmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßrohr (1) bzw. dem Referenzrohr (23) ein Spülgaszufuhrrohr (28) vorgeschaltet ist.

14. Gasmeßgerät nach eine-m der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Referenzrohres (23) eine Spülgaszufuhr- und -abfuhrleitung (14) vorgesehen ist, die sich gegebenenfalls durch den Meßkopf (6) und/oder das Spülgaszufuhrrohr (28) erstreckt.

15. Gasmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich zum Nullpunktreflektor (18) im Referenzrohr (23) eine Schubstange (15) erstreckt, die vorzugsweise durch den Eingang des Referenzrohres (23) und gegebenenfalls durch das Spülgaszufuhrrohr (28) oder den Meßkopf (6) verläuft.

16. Gasmeßgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1) und das Referenzrohr (23) als einstückiges Rohrgebilde ausgebildet sind.