DE2947642A1 - Vorrichtung zur ueberwachung der komponenten eines gases - Google Patents
Vorrichtung zur ueberwachung der komponenten eines gasesInfo
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Description
5k βγό/w-th
4300 Esser. 1, Theaterplatz 3, Postf. 100254
26. November 1979
Patent- und Gebrauchsihusterhilfsanrrieldung
LAND PYROMETERS LIMITED Wreakes Lane, Dronfield, Sheffield, SIb oPN, England
Vorrichtung zur Überwachung der Komponenten eines Gases.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Komponenten
eines Gases an Ort und Stelle, insbesondere die selektive Bestimmung spezieller Bestandteile des Gases.
Es gibt viele Fälle, in denen ein Gas analysiert werden muß. So Kann beispielsweise bei einen; Rauchgas die Menge eines Kohlennionoxidtiehaltes
einen genauen Schätzwert ergeben, ob ein Brenner
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mit, über oder unter seinem optimalen Wirkungsgrad arbeitet oder
nicht. Weitere Anwendungsfälle sind beispielsweise auch Gase,
von denen man weiß, daß sie unbeliebte oder sogar giftige Bestandteile enthalten, sodaß sie sehr genau kontrolliert werden müssen.
Handelsübliche Einrichtungen, mit denen beispielsweise die Abgase eines Boilers oder Ofens bezüglich des CO-Gehaltes überwacht
werden können, lassen sich im allgemeinen in zwei Kategorien teilen, und zwar solche, bei denen zunächst eine Gasprobe entnommen
wird und diese Probe dann analysiert wird, und solche Einrichtungen, welche das Gas an Ort und Stelle überwachen.
Der größte Teil der konventionellen Einrichtungen gehört zur ersten Kategorie, bei welcher zunächst eine Gasprobe entnommen
wird, diese Gasprobe dann durch ein Filter geleitet wird, um Feststoffe zu entfernen, dann zur Entfernung irgendwelcher Kondensate
getrocknet wird und schließlich dem Analysator selbst zugeleitet wird. Der Analysator arbeitet dabei nach irgendeiner
der vielen bekannten Analysemethoden wie beispielsweise mit Fotometrie, Spektroskopie, Filterreduktion und Chromatographie.
Der Hauptnachteil dieser Methoden liegt in der Probenentnahme des Gases selbst, während die Analysatoren an sich gewöhnlich
sehr zweckmäßig ausgebildet sind. Die Systeme zur Probenentnahme benötigen im allgemeinen sehr viel Wartung und man weiß, daß sie
unzuverlässig sind.
Bekannte Einrichtungen, welche Gase an Ort und Stelle überwachen können, arbeiten in der Hauptsache nach dem Spektrometer-Prinzip
für die gleichzeitige Analyse einer Anzahl von Gasen, bei denen
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es sich gewöhnlich um CO, SO0, N0v und CO0 handelt. Wenn auch
£— A cL
die tatsächliche Analyse des Gases mit ausreichender Genauigkeit
durchgeführt werden kann, so ergibt sich bei Spektrornetern doch ein Problen., als es sich bei ihnen um sehr empfindliche Instrumente
handelt, welche weitgehend vor Schwingungen geschützt werden müssen. Aus diesem Grunde sind derartige Instrumente,
wenn sie an Ort und Stelle eingesetzt werden, sehr unförmig und das verwendete Spektrometer selbst muß auf einem sehr zuverlässigen,
schwingungsfreien Unterbau montiert werden. Kritisch ist die optische Ausrichtung, welche eine schwierige und sehr empfindliche
Einstellung und ständige V/artung erfordert. Im allgemeinen ist eine derartige Einrichtung auch kostenaufwendig und
liefert automatisch mehr Informationen als unbedingt erforderlich sind.
Angesichts der offenkundigen Nachteile der bisher üblichen
Analyseeinrichtungen für Gase hat die Erfindung sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in kompakter,
gegen rauhe Behandlung unempfindlicher und relativ preiswerter Ausbildung zu schaffen.
Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art im wesentlichen durch eine in eine Gasleitung oder
dgl., welche vom zu analysierenden Gas durchströmt wird, einsetzbare Infrarotquelle, einen in gewisser Entfernung von der
Infrarotquelle angeordneten Detektor, ein zwischen Detektor und Strahlenquelle angeordnetes, die einkommende Strahlung auf einen
vorgegebenen Wellenbereich einengendes Bandfilter und eine in den Strahlengang zwischen Detektor und Strahlungsquelle einbring-
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bare Filterzelle, welche mit der zu analysierenden Gaskomponente gefüllt ist, wobei der Detektor mit einer elektrischen Schaltung
verbunden ist, durch welche die von der Strahlungsquelle herkommende
Strahlung direkt und nach Durchgang durch die Filterzelle meßbar ist, die Differenz zwischen den beiden Strahlungspegeln bestimmbar ist und die Differenz durch jeden der beiden
vom Detektor empfangenen Strahlungspegel teilbar ist, wodurch eine eine Funktion der im Gasstrom an überwachtem Gas darstellende
Ausgabe der Schaltung erzielbar ist.
Vorzugsweise ist, um sicherzustellen, daß die vom Detektor empfangenen Signale nicht durch Strahlungsabsorption der Filterzellenfenster
oder durch Verschmutzung der Fenster verzerrt werden, eine zweite Bezugszelle vorgesehen, welche mit einer Gaskomponente
gefüllt ist, welche in dem vom Bandfilter ausgewählten Wellenbereich keine Strahlung absorbiert.
Die mit der zu analysierenden Gaskomponente gefüllte Filterzelle und die eventuell vorgesehene Bezugszelle können jeweils ständig
in dem Strahlengang angeordnet werden, wobei, wenn zwei Strahlengänge, d.h. jeweils einer für jede Zelle, erforderlich erscheinen,
wiederum für jede Zelle ein Detektor vorgesehen wird. Die zwei Strahlengänge können von zwei getrennten Strahlungsquellen
geliefert werden oder dadurch, daß im Strahlengang einer einzigen Strahlungsquelle ein Strahlenspalter eingesetzt wird. Alternativ
kann bei einer einzigen Strahlungsquelle die die Gaskomponente enthaltende Filterzelle derart angeordnet werden, daß sie abwechselnd
mit der anderen selektiv in den Strahlengang hineingebracht werden kann.
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Vorzugsweise ist die Infrarotquelle als elektrisch beheizte
Platte ausgebildet, welche durch ein Infrarot-durchlässiges
Fenster beispielsweise Germanium geschützt werden kann und in eine üffnung an der einen Seite der Gasrohrleitung montiert
werden kann. Bei dem Detektor handelt es sich vorzugsweise um einen pyroelektrischen Detektor wie beispielsweise Lithiumtantalat,
eine Detektorf orrn, welche hohe Empfindlichkeit und
Stabilität n;it niedrigem Störpegel ergibt. Bei bestimmten Detektortypen, wie beispielsweise einem Lithiumtantalat-Detektor,
welcher ein Wechselstromdetektor ist und bei Gleichstrom nicht funktioniert, muß zwischen dem DeteKtor und der Infrarotquelle
ein Zerhacker vorgesehen werden, um eine passende Strahlung auf eine vorgegebene Frequenz zu zerhacken, wobei der Zerhacker Teil
eines in sich abgeschlossenen Gerätes sein kann. Der Detektor, der Zerhacker, falls er vorgesehen werden muß, und das Bandfilter
zusammen mit den elektronischen Schaltungen können als ein in sich abgeschlossenes Gerät ausgebildet werden, welches
an der der Infrarotquelle gegenüberliegenden Seite der Gasrohrleitung montiert wird, oder die erforderlichen elektronischen
Schaltungen können ein getrenntes in sich abgeschlossenes Gerät bilden, welches an irgendeiner passenden Stelle zusammen mit den
in gleicher V/eise an einer zweckdienlichen Stelle eingebauten Laut- oder Sichtsignaleinrichtungen angeordnet wird. Alternativ
icann die Strahlungsquelle mit dem Detektor eine Einheit mit im allgemeinen rohrartiger Form bilden, wobei die Strahlungsquelle
am einen Ende und der Detektor am anderen Ende angeordnet sind und das Rohr gasdurchlässig ist. Dadurch kann das Rohr in eine
Rauchgasleitung eingesetzt werden, wenn die Überwachung des Rauchgas^s erforderlich erscheint. Im Rahmen der Erfindung ist
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es weiterhin möglich, die Infrarotquelle und den oder die Detektoren
an der einen Seite einer Rauchgasleitung anzuordnen, die Infrarotstrahlung durch den Rauchgasstrom hindurchzuleiten und
auf einen Reflektor treffen zu lassen, welcher die Strahlung dann wieder auf den Detektor zurückfallen läßt. Dabei kann der
Reflektor in der einen Wandung einer Rauchgasleitung montiert werden, während die Infrarotquelle und der Detektor in der gegenüberliegenden
Wandung der Rauchgasleitung montiert werden. In gleicher Weise wäre es möglich, die Strahlungsquelle und den
Detektor am einen Ende des Rohres und den Reflektor an dem anderen Ende des Rohres anzuordnen, wobei das Rohr wiederum gasdurchlässig
ist und in den Rauchgasstrom eingesetzt werden kann.
Wenn die beiden Filterzellen in Reihe geschaltet sind, werden sie vorzugsweise mit einen; Solenoid verbunden, dessen reziproke
Bewegung fortlaufend zunächst die eine und dann die andere Filterzelle in den Strahlengang einbringt. Dadurch, daß die Gaskomponenten-Filterzelle
abwechselnd mit der Inertgas-Filterzelle in den Strahlengang hinein und aus demselben herausgebracht wird,
ist die Signaldifferenz seitens des Detektors eine Funktion der Konzentration des speziellen Gases im Rauchgas. Bei Teilung der
Signaldifferenz durch das eine oder andere Signal selbst ist der Endausgang der Schaltungen wiederum eine Funktion der Gaskonzentration,
sodaß sich eine wesentliche Minderung wenn nicht Ausschaltung von Problemen ergibt, welche durch Eichabweichung und
den Temperaturkoeffizienten entstehen und es werden die Hauptprobleme
vermieden, welche durch Schmutzablagerungen auf den zum Fokussieren der Strahlung auf den Detektor unbedingt erforderlichen
Linsen verursacht werden.
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Als weitere Möglichkeit bei einer Konstruktion, bei welcher zwei
Detektoren vorgesehen sind, .vann jeder von ihnen mit zwei in
Raihe geschalteten Gaszellen versehen werden, um selektiv in den Strahlengang eingebracht zu werden, wobei die Zellenbewegung
jedoch in Gegenphase synchronisiert wird. Dies ergibt die Möglichkeit von irr. wesentlichen fortlaufenden Ablesungen des zu
analysierenden Gases, während sich als zusätzlicher Vorteil ergibt, daß jeglicher Nebenrauch, der die Gicht hinaufströmt und
die Ablesungen bei einem Einzeldetektorsystern stören könnte, Ablesungen durch die beiden Detektoren ergibt, welche sich weitgehend
selbst aufheben, sodaß trotz des Vorhandenseins von Rauch genaue Ablesungen für das zu analysierende Gas erfolgen können.
Es ist naturgemäß von Vorteil, die Eichung der erfindungsgemäßen
Überwachungsvorrichtung periodisch zu überprüfen. Aus diesem Grunde werden vorzugsweise Bezugseinrichtungen vorgesehen, welche
eine zweite Infrarotquelle aufweisen, die eine feststehende Gas-λοηζθηΐΓβίΙοη
oder überhaupt kein Gas enthält und in einer Sichtbahn eingeschlossen ist, welche in die Überwachungsvorrichtung
der Erfindung in vorgegebenen Zeitabständen eingebracht wird, um durch die Überwachungsvorrichtung Ablesungen für eine vorgegebene
Gasivonzentration zu ermöglichen und welche dann verwendet werden i.ann, um die Genauigkeit der Vorrichtung zu bestimmen und eine
eventuell erforderliche Eichung durchzuführen.
Die vorbeschriebenen Überwachungsvorrichtungen benötigen insgesamt
den Einsatz einer besonderen Infrarot-Strahlungsquelle. Andererseits ist es naturgemäß auch ohne weiteres möglich, unter
gewissen Umständen die Strahlung vom heißen Gas selbst als die auf den Detektor gerichtete Strahlungsquelle auszunutzen.
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Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand der beiliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert; es zeigt
Fig.l eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung;
und
Fig.2 ein Blockschaltbild der Vorrichtung aus Fig.l.
Die in Fig.l dargestellte Vorrichtung zur Gasüberwachung an Ort und Stelle besitzt eine Infrarotquelle 1, welche in eine nicht
dargestellte Leitung oder dgl. eingesetzt werden icann, durch welche das zu analysierende Gas hindurchströrrit, ferner ein
Detektor/signalverarbeitendes Gerät 2, welches in gewisser Entfernung von der Infrarotquelle angeordnet wird. Das Gerät 2
besitzt ein Sichtrohr 3 j welches die von der Infrarotquelle herkommende
Strahlung auf einen Lithiurntantalat-Detektorkopf 4 fokussiert. Ein Dreh- und Gestängesolenoid 5 (rotary push/pull
solenoid) trägt eine mit der zu analysierenden Gaskomponente gefüllte Filterzelle 6 sowie eine weitere nicht dargestellte
Blindfilterzelle (dummy filter cell), welche abwechselnd in den Strahlengang von der Strahlungsquelle zum Detektorkopf eingebracht
werden. Das Gerät besitzt außerdem einen Zerhacker und ein Bandfilter zwischen dem Detektor des Detektorkopfes 4 und
der Infrarotquelle. Tafeln 7 mit gedruckten Schaltungen für die Steuerung des Betriebes des Solenoides 5 und die Verarbeitung
der vom Detektorkopf empfangenen Signale sind ebenfalls in den Geräten vorgesehen.
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FUr eine selbsttätige Eichung kann das signalverarbeitende Gerät
2 auch eine weitere Infrarotquelie ο aufweisen, Vielehe durch
Spiegel 9 und lü Infrarotstrahlung auf den Detektor..opf dirigieren
uann. Der Spiegel 9 steht fest und der Spiegel 10 ist auf
einem Drehsolenoid 11 montiert, urn den Spiegel lü während des
normalen Betriebes des Gerätes in unwirksamer Lage zu halten.
Fig.2 zeigt die Schaltung des Gerätes 2 in Form einer Blockschaltung.
Dacei wird das Solenoid 5 von einer Ansteuer- und Tak.tsteuerungsschaltung
12 angetrieben, un< die Filterzelle 6 und die Blindzelle 13 in den Strahlengang zu bringen. Die vom Detektor-,,opf
4 empfangenen Signale werden einem Vorverstärker 14 eingespeist, dessen Ausgabe entweder einer ersten Abtast- und Halteschaltung
15 oder einer zweiten Ausgabe-Abtast- und Halteschaltung
16 eingespeist wird. Die Ansteuer- und TaktsteuerungsSchaltung
12 steuert außerdem zwei Schalter 17 und 18, sodaß, wenn die Blindzelle Ij5 im Strahlengang liegt, das Signal der Schaltung
Ib zugeführt wird, und wenn die Filterzelle 6 im Strahlengang liegt, das Signal der Schaltung 15 zugeleitet wird. Die Ausgabe
einer jeden der beiden Schaltungen 15 und 16 wird einer Differenzierschaltung 19 zugeleitet, in welcher der eine Signalwert
vom anderen abgezogen wird. Die Ausgabe der Differenzierschaltung
wird dann einem Frequenzteiler 2ü (divider circuit) eingespeist, in welchen auch die Augaoe der Schaltung I5 eingespeist wird. Die
Ausgabe dieses Frequenzteilers 20 wird in eine Linearisierschaltunj
21 eingegeben, deren Ausgabe zur Erzeugung eines hörbaren oder sichtbaren Signals, welches die Menge des überwachten Gases
im zu überwachenden Gasstrom meldet, und/oder als Steuersignal
für die Einstellung der Arbeitsbedingungen eines Brenners ausgenutzt werden ,iann.
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Leerseite COPY
Claims (1)
- Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in EssenPatentansprüche:1Λ Vorrichtung zur Überwachung der Komponenten eines Gases an Ort und Stelle, gekennzeichnet durch eine in eine Gasleitung oder dgl., welche vom zu analysierenden Gas durchströmt wird, einsetzbare Infrarotquelle (1), einen in gewisser Entfernung von der Infrarotquelle angeordneten Detektor (2), ein zwischen Detektor und Strahlenquelle angeordnetes, die einkommende Strahlung auf einen vorgegebenen Wellenbereich einengendes Bandfilter und eine in den Strahlengang zwischen Detektor und Strahlungsquelle einbringbare Filterzelle (6), welche mit der zu analysierenden Gaskomponente gefüllt ist, wobei der Detektor mit einer elektrischen Schaltung verbunden ist, durch welche die von der Strahlungsquelle herkommende Strahlung direkt und nach Durchgang durch die Filterzelle meßbar ist, die Differenz zwischen den beiden Strahlungspegeln bestimmbar ist und die Differenz durch jeden der beiden vom Detektor empfangenen Strahlungspegel teilbar ist, wodurch eine eine Funktion der im Gasstrom an überwachtem Gas darstellende Ausgabe der Schaltung erzielbar ist.2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Bezugszelle (1 j$) vorgesehen ist, welche mit einer die Strahlung im vom Bandfilter ausgewählten Wellenbereich nicht absorbierenden GasKoniponente gefüllt ist.J5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskomponenten-Filterzelle (6) und die evtl. vorgesehene Bezugszelle (.1'5) ständig im Strahlengang liegen und, wenn für jede Zelle ein besonderer Strahlengang benötigt wird, für jede Zelle auch ein besonderer Detektor (15; 16) vorgesehen ist.0 30024/0731ORIGINAL INSPECTEDAndrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen% 29475424. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Strahlungsquellen (1; &) vorgesehen sind oder im Strahlengang einer einzigen Strahlungsquelle ein Strahlzerleger (12) zur Erzeugung von zwei Strahlengängen vorgesehen ist.5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Strahlungsquelle vorgesehen ist und beide eine Gaskomponente enthaltenden Filter (6; 13) derart angeordnet sind, daß sie wahlweise abwechselnd in den Strahlengang einbringbar sind.6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Strahlungsquelle aus einer elektrisch beheizten Platte besteht.7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (2) als pyroelektrischer Detektor ausgebildet ist.b. Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Lithiumtantalat-Detektor ist.9. Vorrichtung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Detektor (2) und der Strahlungsquelle (1) ein die einkommende Strahlung auf eine vorgegebene Frequenz hackender Zerhacker vorgesehen ist.10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (4), der evtl. vorgesehene Zerhacker und das Bandfilter mit den elektronischen Schaltungen zu einem030024/0731Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essenin sich abgeschlossenen Gerät (2) zusammengefaßt sind und dadurch als Ganzes an der der Infrarot-Strahlungsquelle (1) gegenüberliegenden Seite einer zu überwachenden Gasleitung montierbar sind.11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor und die Strahlungsquelle eine im allgemeinen rohrartige Einheit bilden, wobei der Detektor an, einen und die Strahlenquelle am anderen Rohrende angeordnet sind und das Rohr gasdurchlässig ist.12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 j dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotquelle (1) und der Ddtektor bezw. die Dete-ctoren auf der einen Seite eines Rauchkanals und ein Reflei tor auf der anderen Seite des Rauchkanals angeordnet sind.IJ). Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotquelle und der Detektor am einen Ende und der Reflektor an. anderen Ende eines in einen Rauchgasstrom einführbaren gasdurchlässigen Rohres angeordnet sind.14. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Filterzellen (6; 13) an einem Solenoid (5) befestigt sind, durch dessen Aktivierung- wiederholt die erste und dann die zweite Filterzelle in den Strahlengang einführbar ist.15· Vorrichtung nach Anspruch j3> dadurch gekennzeichnet, daß jedem Detektor zwei in Reihe liegende Gasfilterzellen zugeordnet sind, welche synchron im Gegentakt in den Strahlengang einführbar sind.(130024/0731Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essenl6. Vorrichtung nach einen: der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Eichung eine zweite Infrarotquelle n:it einer Beobachtungsbahn mit festgelegter Gaskonzentration oder ohne jegliches Gas derart montiert ist, daß die Beobachtungsbahn in vorgegebenen Zeitabständen in die Vorrichtung dirigierbar ist und anhand der sich dadurch ergebenden Angaben für eine vorgegebene Gaskonzentration die Genauigkeit der Vorrichtung überprüfbar und erforderlichenfalls eine erneute Eichung durchführbar ist.030024/0731
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