DE19713469C1 - Gerät zur Analyse von Gasgemischen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Analyse von Gas­ gemischen, die bei Bränden und sonstigen thermischen Zersetzungsprozessen entstehen.

Die verbreitetste Analysetechnik zur Erfassung von Stoffen von im Brandfall erzeugten Brandgasen stellen zur Zeit immer noch Prüfröhrchen dar. Entsprechende Gerätekoffer sind fester Ausrüstungsbestandteil bei jedem Feuerwehreinsatz. Der aus der Probe ermittelte Analysenwert gibt die summierte Schadstoffmenge wäh­ rend der Probenahmezeit wieder, d. h. bei sehr kurzen Probenahmezeiten stellt er eine auf einen Ort be­ schränkte Augenblicksaufnahme dar.

Es werden spezielle Konzepte zur Ausstattung von Meß­ fahrzeugen bei verschiedenen Berufsfeuerwehren ver­ folgt, so sind bei einigen wenigen Feuerwehren auch Ionisationsspektrometer und Massenspektrometer, meist gekoppelt mit einem Gaschromatograph (GC/MS), vorhan­ den. Nachteilig hierbei ist der hohe meßtechnische Aufwand und die hohen Anforderungen an die Qualifika­ tion des Personals. Als Aussagen werden mit diesen Meßgeräten nur qualitative Informationen über organi­ sche Stoffe erhalten, die jedoch in ihrer Bedeutung bei Bränden meist hinter den anorganischen Stoffen zurückstehen. Weiterhin sind die Meßergebnisse oft nicht sofort verfügbar.

Es sind verschiedene Verfahren bzw. Geräte zur Gas­ analyse bekannt.

Ein tragbarer Gasanalysator nach der DE 32 31 840 A1, der besonders in Kohlenbergwerken unter Tage verwen­ det wird, weist eine Pumpe auf, um eine Gasprobe auf­ zunehmen und sie durch eine Kohlenmonoxid-Sensorzel­ le, eine Sauerstoff-Sensorzelle und einen Methan nachweisenden Pellistor zu pumpen, wobei die Konzen­ trationen der Gase kontinuierlich angezeigt werden.

Aus der DE 33 39 073 A1 ist ein Verfahren zum Analy­ sieren von Gasgemischen bekannt, bei dem das Gas ge­ kühlt, gefiltert, in Teilströme zerlegt und einzelnen Analysatoren zugeführt wird. Das Verfahren wird bei Untersuchungen an KFZ-Verbrennungsmotoren angewandt, wobei insbesondere die Einschwingzeit und die Totzeit verbessert wird.

Die DE 41 38 242 A1 offenbart eine tragbare Vorrich­ tung zur photometrischen gasanalytischen Brandkon­ trolle, die eine Anzahl von Kanälen aufweist, in de­ nen die Lichtintensität wellenlängenselektiv bestimmt und angezeigt wird.

In der DE-OS 21 36 968 wird ein Feuermeldesystem be­ schrieben, bei dem die Luft aus einem zu überwachen­ den Raum einer Detektionskammer mit Mitteln zum Nach­ weis von Kohlenmonoxid zugeführt wird, wobei vor dem Eintritt in die Detektionskammer nichtgasförmige Anteile entfernt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Analyse von Gasgemischen zu schaffen, mit dem eine schnelle, zuverlässige und kontinuierliche oder quasikontinuierliche Bestimmung einer Mehrzahl von organischen und anorganischen Gaskomponenten möglich ist, wobei eine kleine und kompakte Bauweise bei ge­ ringem Reagenzienverbrauch erzielt werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß das Gerät sowohl mindestens einen Gas­ sensor zur Bestimmung einer Gaskomponente als auch eine oder mehrere Absorptionseinheiten, in denen die jeweiligen aus einem Gasstrom aufgeteilten Gasströme mit Absorptionsmittel gemischt und jeweils bestimmte Gaskomponenten aus den aufgeteilten Gasströmen in Lösung übergehen, und mindestens eine der jeweiligen Absorptionseinheit zugeordnete photometrische Meß­ zelle zur Bestimmung der Konzentration der bestimmten Gaskomponenten aus den Spektralwerten der jeweiligen Lösung aufweist, können die einzelnen organischen und anorganischen Gaskomponenten kontinuierlich bzw. qua­ sikontinuierlich bestimmt werden.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Bei der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß mög­ lichst hinreichend erforschte Analysenmethoden für die Bestimmung der einzelnen organischen und anorga­ nischen Brandkomponenten verwendet werden. Auf den ersten Blick erscheint die Anwendung von Halbleiter­ gassensoren als die Methode, die technisch am ein­ fachsten zu realisieren ist, zumal eine Vielzahl von Sensoren zur Bestimmung unterschiedlicher Stoffe aus der Literatur bekannt ist. Beispielsweise sind Senso­ ren für den Kraftfahrzeugbereich sowie für die Schwelbranderkennung entwickelt worden, deren Einsatz sich im wesentlichen auf die simultane Bestimmung von CO, NO_x und gegebenenfalls H₂ eschränkt. Abgesehen davon, daß diese Sensoren nur für die Analyse be­ stimmter Komponenten einsatzfähig sind, ist die Quer­ empfindlichkeit der Sensoren gegenüber zusätzlichen Gasinhaltsstoffen problematisch, was sich vor allem bei der Anwesenheit von Vielkomponentengemischen auf die Meßgenauigkeit auswirkt.

Es gibt neuentwickelte Multisensorenchips, deren we­ sentliches Kennzeichen die Zusammenstellung einer Mehrzahl, z. B. 40, einzelner Sensoren auf der Sub­ stratoberfläche ist und die sich durch eine geringere Querempfindlichkeit auszeichnen. Durch die Aufprägung von Temperaturgradienten und/oder Membrandickegra­ dienten erscheinen spezifische Leitfähigkeitsmuster auf der Substratoberfläche, die charakteristisch für bestimmte chemische Stoffe sind und sowohl für eine qualitative als auch quantitative Analyse verwendet werden können. Es zeigte sich jedoch ebenfalls, daß auch diese Sensoren je nach Zusammensetzung der Mehr­ komponentengemische störanfällig sind, was durch eine spezielle Gestaltung einzelner Sensoren aufgefangen werden muß.

Der alleinige Einsatz solcher Gassensoren in der Brandgasanalytik ist deshalb vor allem vor dem Hin­ tergrund der inhomogenen und von Fall zur Fall unter­ schiedlichen Brandgaszusammensetzung wenig aussichts­ reich. Darüber hinaus dienen die meisten aus der Li­ teratur bekannten Gassensoren mit Ausnahme der oben­ erwähnten Kraftfahrzeugsensoren lediglich der Bestim­ mung organischer Gaskomponenten.

Beispielsweise wäre die Analyse der für Brandgase wichtigen Komponenten Cyanid und Halogenwasserstoffe nicht möglich.

Erfindungsgemäß wird daher die photometrische Methode in Kombination zu den Gassensoren angewandt, bei der organische und anorganische Komponenten in der flüs­ sigen Phase photometrisch bestimmt werden. Dabei ist die Absorption der jeweiligen Komponenten in einer flüssigen Phase erforderlich, wobei anschließend die Substanz in eine UV-VIS-sensitive Verbindung über­ führt werden kann. Dem eigentlichen Analyseschritt wird damit ein Löse- und/oder Reaktionsvorgang vor­ geschaltet.

Vorteilhaft bei der Erfindung ist, daß das Gerät in einer kleinen kompakten Bauform hergestellt werden kann, wodurch der Reagenzienverbrauch für den Löse- und/oder Reaktionsvorgang verringert werden kann. Die kleine und kompakte Bauweise wird durch die Verwen­ dung der in den letzten Jahren entwickelten und gete­ steten mikrostrukturell gefertigten Bauteile, wie z. B. Mikropumpen, ermöglicht. Der Einsatz solcher Komponenten in Kombination mit entsprechenden elek­ tronischen Auswerteeinheiten bietet darüber hinaus durch die extrem kurzen Ansprechzeiten Vorteile ge­ genüber konventionellen Analysegeräten.

Durch die kurzen Ansprechzeiten ergibt sich die Mög­ lichkeit bei kontinuierlichem Betrieb räumliche Kon­ zentrationsprofile der verschiedenen Schadstoffe zu ermitteln, elektronisch abzuspeichern und gegebenen­ falls weiter auszuwerten. Auf diese Weise läßt sich die Probennahmeproblematik bei Brandfällen weitgehend minimieren. Gleichzeitig können die ermittelten Er­ gebnisse zur Verifizierung von Ausbreitungsrechnungen herangezogen werden, und hierdurch kann ein wesentli­ cher Beitrag zur Gefahrenbeurteilung bei Bränden ge­ leistet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt den verfahrenstechnischen Aufbau des erfindungsgemä­ ßen Geräts.

Mit dem dargestellten Gerät zur Analyse von toxischen Brandgasen, das als mobiles Analysegerät ausgebildet ist, sollen organische und anorganische Gaskomponen­ ten, die aus den im folgenden benannten Stoffen bzw. Stoffgruppen ausgewählt sind, analysiert werden:

Anorganische Komponenten:

• - Kohlenmonoxid, Kohlendioxid
• - halogenhaltige Stoffe (Chlor, Chlorwasser­ stoff, Fluorwasserstoff)
• - stickstoffhaltige Stoffe (Cyanwasserstoff, Stickoxide, Ammoniak)
• - schwefelhaltige Stoffe (Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Schwefelkohlenstoff)
• - phosphorhaltige Stoffe (Phosphan)

Organische Komponenten:

• - chlororganische Stoffe (Phosgen, Trichlo­ rethan, Trichlorethen, Tetrachlorethen, Chlorbenzole, Vinylchlorid)
• - Aldehyde und Ketone (Aceton, Formaldehyd, Acrolein)
• - Alkohole (Methanol, Ethanol)
• - Aromaten (Benzol, Toluol, Styrol)
• - Carbonsäuren (Essigsäure)
• - Nitrile (Acrylnitril)

Weiterhin sollten Summenparameter gemessen werden, da hierdurch Hinweise auf unverbrannte Anteile erhalten werden.

Das Meßgerät weist einen mit einem Ansaugstutzen zum Ansaugen z. B. des Brandgases oder eines anderen Gas­ gemisches versehenen Verdichter P1 und einen diesem nachgeschalteten Filter F1 auf, wobei der Filter zur Partikelabscheidung dient und über Schnellkupplungen K1 und K2 in die Gasleitung 1 eingesetzt ist. An der Gasleitung 1 sind Gassensoren 2 zur direkten Bestim­ mung von z. B. CO₂, CO und O₂ angeordnet. Die Meßer­ gebnisse können zur Auswertung der Gaskomponenten in den folgenden Verfahrensstufen herangezogen werden.

Den Gassensoren 2 ist eine erste Temperatursteuer- und -regeleinheit 3 zugeordnet, über die die Tempera­ tur der Gassensoren 2 geregelt werden kann. Die Gas­ sensoren 2 und die Temperatursteuer- und -regelein­ heit 1 sind mit einer nicht dargestellten elektroni­ schen Auswerteeinheit verbunden.

Der in der Gasleitung geführte Gasstrom wird über Verzweigungen 4 in mehrere Gasströme mit entsprechen­ den Behandlungsstufen aufgeteilt, wobei in dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel nur eine Behandlungsstu­ fe dargestellt ist. Die abgezweigte Gasleitung 4 steht über eine Rückschlagarmatur 5 zur Verhinderung des Rückflusses von Chemikalien mit einer Ab­ sorptionseinheit A1 in Verbindung. Der Behälter der Absorptionseinheit A1 ist über einen Zufuhrstutzen mit einer Flüssigkeitsleitung 6 verbunden, die über eine Pumpe P2 an ein Depot 7 angeschlossen ist, wobei das Depot unterschiedliche Behälter zur Aufnahme von unterschiedlichen chemischen Substanzen aufweist. Der Pumpe P2 ist eine Durchflußsteuer- und -regeleinheit 8 zugeordnet, die mit der Auswerteeinheit verbunden ist, wobei der Sollwert für die Durchflußmenge der Pumpe P2 von der Auswerteeinheit gegebenenfalls ab­ hängig von den Meßergebnissen der Gassensoren festge­ legt wird oder als fester Wert vorgegeben wird. Die Absorptionseinheit A1 ist weiterhin mit einem Abluft­ stutzen 9 versehen und wird durch eine ihr zugeord­ nete Heizung 10 elektrisch geheizt, wobei die Tempe­ ratur in der Absorptionseinheit A1 über eine weitere Temperatursteuer- und -regeleinheit 11 eingestellt wird.

Der Flüssigkeitsauslaß der Absorptionseinheit A1 ist mit einer Flüssigkeitsleitung 12 verbunden, die an eine Mischkammer M1 angeschlossen ist, wobei sich die Flüssigkeitsleitung 12 auch verzweigen kann und wei­ tere Mischkammern vorgesehen werden können. Die Mischkammer M1 ist mit dem Depot 7 für chemikalische Substanzen über eine Pumpe P3 verbunden, wobei letz­ tere wiederum ein Durchflußsteuer- und -regelkreis 14 zugeordnet ist. Der Auslaß der Mischkammer M1 ist über ein Ventil V2 mit einer photometrischen Meßzelle Z1 verbunden, deren Aufbau allgemein bekannt ist. Zur Zuführung von Kalibrierlösung und Spüllösung ist die Meßzelle Z1 mit einer weiteren Zuleitung 14 zum Depot 7 für chemische Substanzen versehen, wobei in der Zuleitung 14 ein Absperrventil V1 und eine Pumpe P1 mit Durchflußsteuer- und -regeleinheit 15 geschaltet ist.

Die Meßzelle Z1 steht über eine Rückschlagarmatur 16 mit einer Auffangbehälteranordnung 17 in Verbindung. Das Depot 7 für chemische Substanzen und die Auffang­ behälteranordnung 17 sind über Schnellkupplungen K3 bis K6 mit den entsprechenden Flüssigkeitsleitungen verbunden. In die Fülleitungen des Depots 7 für che­ mische Substanzen sind Absperrventile 19 und Schmutz­ fänger 20 installiert.

Die Funktionsweise des in der Figur dargestellten Gerätes ist wie folgt. Das zu analysierende Gasge­ misch, z. B. Brandgas, wird mit Hilfe des Verdichters P1 angesaugt und durch den Filter F1 transportiert. Die hierbei stattfindende Partikelabscheidung schützt die nachfolgend angeordneten Bauelemente, die ganz oder teilweise mikrostrukturell gefertigt sind, vor Verunreinigungen. Anschließend werden von den Gassen­ soren 2 ausgewählte Gaskomponenten analytisch be­ stimmt und ihre Konzentration festgestellt. Neben diesen Meßwerten können auch die Meßwerte queremp­ findlicher Gassensoren 2 als erste Anhaltswerte in der Auswerteeinheit gespeichert werden.

Die Auswerteeinheit verarbeitet die Meßwerte der Gas­ sensoren zur Bestimmung von Sollwerten für die Zufuhr der chemikalischen Substanzen über die Pumpen P2, P3 und P4. Weiterhin können sie zur Auswertung der Gas­ komponenten, die mittels der Absorptionseinheiten bestimmt werden, herangezogen werden.

Bei seinem weiteren Weg durch das Analysengerät wird der Gasstrom an den Verzweigungen 4 geteilt und als aufgeteilte Gasströme in unterschiedliche Absorp­ tionseinheiten geleitet. Die gewellten Linien sollen andeuten, daß mehrere Einheiten vorhanden sind. In diesen Absorptionseinheiten A1 wird der jeweilige Gasstrom intensiv mit einem aus dem Depot 7 zugeführ­ ten Absorptionsmittel gemischt, wodurch bestimmte Gaskomponenten aus dem Gasstrom in die Lösung überge­ hen. Als Absorptionsmittel werden verschiedene Lösun­ gen, z. B. basische zur Absorption sauer Luftkompo­ nenten (z. B. HCl, HCN), oder auch organische Lösungs­ mittel eingesetzt. Hierbei ist insbesondere die Kenntnis des im Brandgas enthaltenen Kohlendioxids, das von dem Gassensor 2 gemessen wird, für die Rege­ lung der über die Pumpe P2 zugeführten benötigten Menge an basischer Lösung notwendig. Für jede Absorp­ tionseinheit wird ein unterschiedliches Absorptions­ mittel eingesetzt, so daß eine Vielzahl von unter­ schiedlichen Gaskomponenten bestimmbar sind.

Das Gas verläßt nach Durchströmen der verschiedenen Absorptionskammern A1 das Analysengerät über die Ab­ luftstutzen 9 als Abluft. Die eigentliche Analyse wird mit dem flüssigen Medium durchgeführt. Ausgehend von der Absorptionseinheit A1 wird der Flüssigkeits­ strom in der Mischkammer M1 einer weiteren Behandlung unterzogen und mit einer über die Zuleitung 13 zuge­ führten weiteren chemischen Substanz aus dem Chemika­ liendepot 7 gemischt, wodurch die durchströmende Lö­ sung für die folgende photometrische Auswertung bes­ ser aufbereitet werden kann. Die Nutzung der Misch­ kammer M1 sowie die Zugabe weiterer Chemikalien ist optional und hängt vom eigentlichen Analysenschritt ab.

Anschließend wird die Konzentration der Komponenten im Brandgas in den einzelnen Meßzellen Z1 photo­ metrisch bestimmt, und das Reaktionsgemisch wird nach der photometrischen Bestimmung in die Auffangbehäl­ teranordnung 17 geleitet. Die jeweilige Meßzelle Z1 wird mit Hilfe der über die Leitung 14 zugeführte Kalibrierlösung kalibriert und mit einer Spüllösung gespült. Die Führung der Flüssigkeitsströme erfolgt mit Hilfe der Ventile V1 und V2, von denen das Ab­ sperrventil V1 beim Spülvorgang geöffnet ist, während das Ventil V2 geschlossen ist. Die Ventile werden automatisch von der Auswerteeinheit angesteuert. Sämtliche Bauteile des Gerätes mit Ausnahme des Che­ mikaliendepots 7 und der Auffangbehälteranordnung 17 sind temperierbar ausgeführt.

Die Meßdaten (Konzentration, Temperatur, Durchfluß) werden kontinuierlich von der Auswerteeinheit, die als Mikrocontroller ausgebildet sein kann, aufge­ zeichnet, elektronisch weiterverarbeitet und abge­ speichert. Gleichzeitig werden die wichtigsten Daten auf einem Display angezeigt oder ausgedruckt, wodurch die Benutzer informiert werden. Das Gerät verfügt über eine interne Energieversorgung und/oder die An­ schlußmöglichkeit an eine externe Spannungsversor­ gung. Das Chemikaliendepot 7 und die Auffangbehälter 17 sind so konzipiert, daß sie problemlos befüllt bzw. entleert werden können. Die Schmutzfänger 20 in den Fülleitungen 18 des Chemikaliendepots 7 verrin­ gern den Eintrag an Verunreinigungen in das Gerät.

Darüber hinaus erfolgt eine Kontrolle des Füllstandes und gegebenenfalls eine Nachricht auf dem Display, sobald einzelne Speichereinrichtungen nachgefüllt werden müssen.

Die Schnellkupplungen K1 bis K6 ermöglichen den schnellen und problemlosen Austausch verschiedener Bauteile des Gerätes, wie z. B. des Chemikaliendepots, der Auffangbehälter und des Partikelfilters.

Technologisch ist das Gerät sowohl aus mikrostruktu­ rierten als auch aus konventionellen Bauelementen zusammengesetzt, wobei das Anwendungsgebiet der mi­ krostrukturierten Teile bei den flüssigkeitsführenden Bauteilen, wie z. B. den Pumpen P1 bis P4, die als Mikropumpen ausgebildet sind, liegt.

Claims (11)

1. Gerät zur Analyse von Gasgemischen, die bei Brän­ den und sonstigen thermischen Zersetzungsprozessen entstehen, mit einer Vorrichtung (P1) zum Ansaugen des Gasgemisches in ein Gasleitungssystem (1) zur Weiterleitung des Gasstromes, mit mindestens einem Gassensor (2) zur Bestimmung mindestens einer Gas­ komponente, mindestens einer Absorptionseinheit (A1), in der der Gasstrom mit einem von einem De­ pot (7) zugeführten basischen, sauren und/oder organischen Absorptionsmittel gemischt wird und mindestens eine bestimmte Gaskomponente aus dem Gasstrom in Lösung übergeht, mit mindestens einer der Absorptionseinheit (A1) zugeordneten photome­ trischen Meßzelle (Z1) zur Bestimmung der Konzen­ tration der mindestens einen bestimmten Gaskompo­ nente aus den Spektralwerten der Lösung und einer Auswerteeinheit zum Aufzeichnen, Weiterverarbeiten und/oder Anzeigen der von dem mindestens einen Gassensor und der mindestens einen photometrischen Meßzelle (Z1) gelieferten Meßwerte.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Absorptionseinheiten mit ent­ sprechenden photometrischen Meßzellen vorgesehen ist und daß der Gasstrom des Gasgemisches für die einzelnen Absorptionseinheiten aufgeteilt wird.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Depot (7) eine Mehrzahl von als Absorptionsmittel, Kalibriermittel und/oder Spülmittel verwendeten chemischen Sub­ stanzen bevorratet und über ein Flüssigkeitslei­ tungssystem mit den jeweiligen Absorptionseinhei­ ten (A1) und Meßzellen (Z1) verbunden ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Flüssigkeitsleitungs­ system Pumpen (P2 bis P4), vorzugsweise Mikropum­ pen, zur Förderung der chemischen Substanzen vor­ gesehen sind, wobei den Pumpen Durchflußsteuer- und -regelvorrichtungen zugeordnet sind, die die Zufuhr der Substanzen steuern und deren Sollwerte gegebenenfalls abhängig von den Meßwerten des min­ destens einen Gassensors (2) festgesetzt werden.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Absorptionseinheiten (A1) jeweils eine oder mehrere Mischkammern (M1) zuge­ ordnet sind, in denen die die Absorptionseinheit (A1) verlassende Lösung mit weiteren chemischen Substanzen gemischt wird.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gassensoren zur Mes­ sung von CO, CO₂, NO_x, H₂, O₂ vorgesehen sind.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatursteuer- und -regel­ vorrichtungen den Gassensoren, Absorptionseinhei­ ten, Mischkammern und/oder Meßzellen zugeordnet sind.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzellen (Z1) mit einer Auffangbehälteranordnung (17) verbunden sind, die die Lösungen aus den Meßzellen (Z1) auffängt.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Ansaugen (P1) als Verdichter ausgebildet ist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrichtung zum Ansaugen ein Filter (F1) nachgeschaltet ist.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter des Depots mit Vorrichtungen zur Messung des Füllstandes versehen sind, die mit der Auswerteeinheit verbunden sind.