Gasanalysatoren der M&C Techgroup GmbH Ratingen Deutschland https://www.mc-techgroup.com/de/produkte-spezialsysteme/gasanalyse

Unter dem Begriff „Gasanalysator“ versteht man ein eigenständiges Messgerät zur kontinuierlichen Erfassung der Gaskonzentration eines vorgegebenen Stoffes (z.B. CO₂ im Rauchgas). Die ersten Gasanalysen wurden stets im Labor durchgeführt, unter Zuhilfenahme nasschemischer Methoden. Diese Art der Gasanalyse ist nicht kontinuierlich und erfordert einen hohen Personaleinsatz zur Durchführung dieser Laboranalysen. Weiterhin wird das Analyseergebnis zeitverzögert mitgeteilt, sodass Regelprozesse zur Optimierung des Verbrennungsvorganges nicht oder nur sehr schlecht zu realisieren sind.

Der erste kontinuierlich arbeitende Gasanalysator war der Siemens Rauchgasprüfer (Siemens & Halske A.-G.). Er bestand aus einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor mit 4 Widerstandselementen (Pt100) die zu einer Messbrücke verschaltet wurden. Die Messspannung, die an der Brückendiagonale abgegriffen wurde, konnte direkt auf ein Drehspulinstrument gegeben werden. Eine weiterführende Elektronik war nicht erforderlich (Abb. 2). Mit diesem Rauchgasprüfer wurde es erstmalig möglich den CO₂-Gehalt direkt in der Verbrennungsluft (Rauchgas) zu messen, um den Verbrennungsvorgang kontinuierlich zu optimieren (Luftzufuhr steuern).

Siemens warb mit folgenden Argumenten:

• Dauernd sichtbare Anzeige am Kessel
• Zentrale Fernüberwachung und Registrierung

Abb. 1: Werbeplakat für den Siemens-Rauchgasprüfer aus dem Jahre 1925.

 

Abb. 2: Aufbau des Siemens-Rauchgasprüfers

 

Das erste fotometrische Gasmessgerät (URAS¹) wurde von Lehrer und Luft entwickelt und 1938 zum Patent angemeldet. Bis zum Jahre 1945 wurden bei der BASF (IG-Farben) mehrere hundert dieser BASF-URAS Geräte für den Eigenbedarf produziert. In Abb. 3 ist ein seltenes Exemplar dieses Gerätes zu sehen, das auch heute noch einwandfrei funktioniert. In den 50er Jahren wurde das URAS-Verfahren von der Hartmann & Braun AG in Frankfurt Praunheim übernommen. Seit 1956 werden dort die URAS-Geräte in Serie produziert.

Aufbau eines Gasanalysators

Der prinzipielle Aufbau eines Gasanalysators ist in Abb. 5 dargestellt. Im Vergleich zu den Anfängen der Gasanalyse hat sich der Elektronikanteil immer weiter ausgedehnt. So sind die heutigen Gasanalysatoren mit leistungsfähigen Mikrokontrollern ausgestattet, mit denen eine effiziente Signalverarbeitung (z.B. Fourier-Transformation) möglich wird. Externe Sensoren (Temperatur, Druck) liefern Informationen die zur Verrechnung von Fehlereinflüssen in der Firmware benötigt werden. Die daraus resultierenden Messergebnisse haben ein hohe Qualität.

Gassensoren

Die eingesetzten Gassensoren haben zumeist eine separate Auswerteelektronik mit der bereits wichtige Sensorfunktionen verarbeitet werden. Die Datenübertragung vom Sensor erfolgt in der Regel über einen internen Bus (z.B. I2C, Modbus, CAN usw.). Diese Gassensoren bzw. Gasmessmodule arbeiten zumeist nach den bekannten und etablierten Messverfahren:

• NDIR (CO, CO₂, HC, NO, SF₆, H₂O,….)
• NDUV (SO₂, NO₂, H₂S, Cl₂,…)
• UVRAS (NO)
• Wärmeleitfähigkeit (H₂, He, Ar,..)
• Paramgnetismus (O₂)
• EC-Sensoren (O₂, NO, H₂S,..)
• FID (Kohlenwasserstoffe)
• TDL (Diodenlaser)

Thermostat

Für bestimmte Einsatzgebiete ist ein Beheizung des Gassensors erforderlich, um ggf. Kondensationen zu verhindern oder störende Umgebungstemperaturänderungen ausgleichen zu können.

Die Thermostatentemperatur wird zumeist bei 55°C festgelegt, um die äußeren Temperaturänderungen bis 45°C ausgleichen zu können. Die Messung von Kohlenwasserstoffen im ppm-Bereich mit einem FID erfordert hingegen eine Beheizung auf Temperaturen von bis zu 200°C einschließlich der Gaswege (beheizte Gasleitung).

Die erforderliche elektrische Leistung wird zumeist mit einem Netzteil (230VAC) zur Verfügung gestellt. Batteriebetriebene Gasanalysatoren sind ebenfalls verfügbar und werden zumeist für den mobilen Einsatz genutzt.

Gaszuführung

Die Gaszuführung kann sowohl von außen über ein Probennahmesystem oder durch eine eingebaute Pumpe erfolgen. Zusätzlich sind dann entsprechende Staubfilter zu integrieren und auch ein Schwebekörperdurchflussmesser zur Anzeige des Gasflusses ist dann durchaus sinnvoll. Mobile Geräte haben zumeist diese Art der Gasaufbereitung im Gasanalysator integriert, während in stationären Gasmesssystemen diese Aufbereitung extern erfolgt.

Schnittstellen

Die Signalausgänge sind je nach Einsatzgebiet sehr unterschiedlich. Im Allgemeinen werden digitale Schnittstellen wie RS232 und RS485 bzw. Modbus und PROFIBUS für die Datenkommunikation eingesetzt. In der Verfahrenstechnik und der Prozessmesstechnik werden aber auch noch analoge Signale (z.B. 4-20mA oder 0-10Volt) eingesetzt, um die Information über die Gaskonzentration zu übertragen. Für einfache Grenzwertüberwachungen stehen dann zusätzlich auch Relaiskontakte bzw. TTL-Signale zur Verfügung.

Gehäuse

Die Integration in ein Gehäuse ist für einen wirksamen Schutz gegenüber äußeren Einflüssen wie Staub, Wasser, Luftströmungen und mechanischen Einwirkungen sehr wichtig. Da diese Einflussfaktoren bei den jeweiligen Einsatzgebieten sehr unterschiedlich sind, haben die Hersteller von Gasanalysatoren auch verschiedene Gehäusevarianten im Programm. Die sind vor allem:

• 19-Zoll Einschub für die Integration in Schranksysteme. Diese Gehäuse haben eine standardisierte Breite (z.B. ganz 19“ oder ½ 19“) und standardisierte Höhen (s. Abb. 7). In den meistens Fällen sind das 3 oder 4 Höheneinheiten (3HE oder 4HE).
• Wandgehäuse die direkt vor Ort im Betrieb aufgehangen werden und dort kontinuierlich arbeiten (s. Abb.7). Diese Gehäuse benötigen einen speziellen Gehäuseschutz (IP).
• Für mobile Anwendungen werden die Gasanalysatoren in Koffern platziert, sodass diese problemlos von Messstelle zu Messstelle getragen werden können. Bei schwereren Geräten werden auch Rollkoffer eingesetzt.
• Für den Einsatz in explosiven Umgebungen (Zone 1 und Zone 2) werden zusätzliche Maßnahmen ergriffen, um zu verhindern das durch die elektrisch betriebenen Gasanalysatoren kein Zündfunke entsteht und somit eine Explosion auslösen kann. Ein Beispiel ist die druckfeste Kapselung (Ex-d, s. Abb.8).

Generell müssen Gasanalysatoren eine CE-Zertifizierung nachweisen, bevor diese in den Verkehr gebracht werden.

Abb. 5: Prinzipieller Aufbau eines Gasanalysators mit integrierter Gasaufbereitung

 

Abb. 6: Beheizter O₂-Analysator in kompaktem Gehäuse. Gehäusebreite: 1/3 eines 19"-Racks (28 TE)

 

Abb. 7: Wandmontage und 19”-Einschub der Baureihe GENTWO der M&C Techgroup GmbH Ratingen

 

Abb. 8: Beheizter O2-Analysator, explosionsgeschützte Ausführung nach ATEX zur Montage in Zone 1 (M&C Techgroup GmbH)

 

Gerätenamen

Die Gerätehersteller haben den jeweiligen Gasanalysatoren und Baureihen unterschiedliche Namen gegeben, um diese voneinander differenzieren zu können. Zumeist haben diese Namen auch einen direkten Bezug zu dem physikalischen Messverfahren, das dahintersteckt. Hier sind einige Beispiele dazu:

• SIEMENS: Ultramat, Oxymat, Calomat, Fidamat
• ABB: URAS, Magnos, Caldos, Fidas
• Emerson: X-Stream
• M&C: GENTWO
• Wi.Tec: BINOS, ULTRA.sens, INFRA.sens, MAGNO.sens, CALDO.sens, HUMI.sens

BINOS®

Der BINOS® wurde 1976 von G. Schunck und A. Randow bei der Leybold-Heraeus GmbH in Hanau entwickelt. Er war der erste Gasanalysator nach dem NDIR-Verfahren, der zwei Gase in einem Gerät erfassen konnte (daher BI…). Von 1980 bis 1987 arbeitete G. Wiegleb an der Entwicklung des UV-BINOS, dem BINOS 100, dem BINOS 1000 und dem NOx-BINOS mit. Durch Übernahme der Analysentechnik durch Emerson wurde die Produktlinie X-Stream ins Leben gerufen und die Marke BINOS® wurde nicht mehr weiterverfolgt. 2015 wurde die Marke von Prof. Wiegleb erneut angemeldet und befindet seitdem in seinem Besitz (Abb. 8). Die Wi.Tec-Sensorik GmbH nutzt jetzt den Namen für die vorgesehene Gasanalyse-Gerätelinie.

Abb. 9: Urkunde des Deutschen Patent- und Markenamtes aus dem Jahr 2015

 

In Abb. 10 ist der BINOS aus dem Jahr 1980 zu erkennen, mit dem 300ppm CO und 20Vol.-% CO2 gemessen wurden. Diese Kombination befindet sich in einem ½-19“ Gerät und wurde für die Einstellung von Brennern eingesetzt (Feuerungsoptimierung). In einem 19“-Baugruppenträger konnten 2 BINOS-Geräte mit insgesamt 4 Messkomponenten integriert werden.

Abb. 10: BINOS für die Feuerungsoptimierung (Baujahr ca. 1980)

 

Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Neubrandenburg (Zentrum für Ernährung und Lebensmitteltechnik) ein Messgerät zur simultanen Messung von O₃ und NO₂ im UV-Bereich (ULTRA.sens) und NO, CO₂ und H₂O im IR-Bereich (INFRA.sens) entwickelt. Da auch hier 2 unterschiedliche Gassensoren in einem Gerät zum Einsatz gekommen sind, wurde das Gerät BINOS genannt. Der BINOS ist seitdem ein eigenständiges Produkt das von der Wi.Tec-Sensorik GmbH in Wesel vertrieben wird.

In Abb. 11 ist der Aufbau zu sehen. Die gesamte Messtechnik inclusive Gasförderung, Durchflussüberwachung und Filterung (grob+Fein) befindet sich in einem 19“-Einschub. Der 19“ Einschub befindet sich wiederum in einem Übergehäuse, dass für den mobilen Einsatz (Koffergehäuse) geeignet ist. https://www.witec-sensorik.de/produkte/binos/

Abb. 11: BINOS zur simultanen Gasanalyse von NO, NO₂, O₃, H₂O und CO₂

 

Natural Gas Monitor NGM 1000

Im Rahmen eines weiteren Forschungsprojektes mit der Fachhochschule München wurde ein Erdgas-Monitor entwickelt mit dem für Versuchszwecke Methan C2+ (also Ethan, Propan und Butan) sowie CO₂ im Erdgas gemessen wird. https://www.witec-sensorik.de/anwendungen/erdgasueberwachung/

Abb. 12: Natural Gas Monitor (NGM1000) zur simultanen Gasanalyse von Methan 80-100 Vol.-%. Ethan 0-10 Vol.-% und CO₂ 0-5 Vol.-%.

 

Abb. 13: Zusammen mit Dipl.-Ing. Dieter Wolf (Wi.Tec-Berater) installiert Prof. Wiegleb (links) einen Natural Gas Monitor NGM 1000 in einer Verteilerstation in Marktoffingen

 

¹ Ultrarot Absorptionsschreiber

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