-Sonden für die gleichzeitige Messung von Sauerstoff und unverbrannten Rest-Bestandteilen

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1 Analysen-, Mess- und Systemtechnik GmbH Industriestrasse 9 D Dielheim Tel Fax info@ams-dielheim.com ZrO 2 -Sonden für die gleichzeitige Messung von Sauerstoff und unverbrannten Rest-Bestandteilen Insitu-Sonden Serie AMS auch mit ATEX-Zertifikat für Zone 1 Die Messung von Sauerstoff in Rauchgasen mit Hilfe von ZrO 2 -Messsonden ist eingeführter Standard in vielen Industriebereichen. Eine zusätzliche Anforderung ist jedoch häufig die gleichzeitige Messung von unverbrannten Rest-Bestandteilen, meistens Kohlenmonoxid, aber auch von Wasserstoff oder von Kohlenwasserstoffen, um die bestmögliche Verbrennung und Wirtschaftlichkeit in der Anlage zu erreichen. AMS bietet eine schnelle, vielseitige und kostengünstige ZrO 2- Messsonde unter Verwendung eines neu entwickelten dualen Sensors an, mit dem gleichzeitig Sauerstoff und unverbrannte Rest- Bestandteile (als CO-Äquivalent COe) gemessen werden. Eine ATEX zertifizierte Ausführung für die Zone 1 (ATEX II 2G EEx d IIB+H2 T3). steht ebenso zur Verfügung wie eine Hochtemperatur-Sonde (bis zu C). Die Insitu Messsonde AMS Die Ex-Messsonde AMS EX Die konstruktive Ausführung basiert auf der eingeführten insitu-zro 2 -Messonde AMS Der duale Sensor befindet sich direkt hinter einem Sintermetall-Filter im heißen Rauchgas.Die Filter sind gegen grobe Staubteilchen durch einen Schild (optional) geschützt. Die konstruktive Aussführung basiert auf der eingeführten insitu-messsonde AMS /150 mit Temperaturanzeige und Spannungsüberwachung AMS-TWD2. Das Prüfzertifikat ist BVS 05 ATEX E 002 X - Zweiter Anhang Über Leitungen im Sondenrohr werden die Referenzluft (Instrumentenluft) und das Kalibriergas an den Sensor herangeführt. Die Ex-Schutzart ist II 2G EEx II B+H 2 T3 1 Die Standardlänge der Messsonde ist 500 mm, die maximale Rauchgastemperatur beträgt 350 C. Probennahmerohr und Flansch sind standardmäßig aus Edelstahl gefertigt. Für den Einsatz in besonders korrosiven Gasen kann die Sonde auch in INCONEL 600 geliefert werden. Der duale Sensor befindet sich direkt hinter einem als Flammensperre zertifizierten Sintermetall-Filter im heißen Rauchgas. Die Filter sind gegen grobe Staubteilchen durch einen Schild (optional) geschützt. Über Leitungen im Sondenrohr werden die Referenzluft (Instrumentenluft) und das Kalibriergas an den Sensor herangeführt. Die Standardlänge der Messsonde ist 500 mm, die maximale Rauchgastemperatur beträgt 350 C. Probennahmerohr und Flansch sind standardmäßig aus Edelstahl gefertigt. Für den Einsatz in besonders korrosiven Gasen kann die Sonde auch in INCONEL 600 geliefert werden. 1

2 Die Hochtemperatur-Sonde AMS Die semi-extraktive Sonde AMS kann bei Temperaturen von bis zu C eingesetzt werden unter Verwendung eines Probenahmerohrs aus Keramik. In diesem Fall wird die Sonde vertikal positioniert. Bis zu einer maximalen Gastemperatur von 700 C kann der Einbauort beliebig gewählt, wenn entprechende spezielle Sondenmaterialien für die Sondenfertigung verwendet werden. Die Standardlänge der Sonde ist 1000 mm, andere Längen (250 bis 2000 mm) können auf Wunsch geliefert werden. Die Messzelle ist in den Montageflansch der Sonde eingebaut. Das Messgas strömt mithilfe einer in den Flansch integrierten Aspiratorpumpe an dem Sensor vorbei und wird in den Prozess zurückgeführt. Bei hohem Staubanfall und/oder bei hohem Wassergehalt des Rauchgases kann die Sonde mit einem beheizbaren Flansch und/oder einer Rückspülung zum Säubern der Gaswege geliefert werden. Hochtemperatur-Sonde AMS

3 Der duale Sensor zur gleichzeitigen Messung von Sauerstoff und und unverbrannten Rest- Bestandteilen Der duale Sensor zur gleichzeitigen Messung CO/H von Sauerstoff und brennbaren Gasen (bestimmt als 2 -sensitive Elektrode Gaseinlass (Pt / Edelmetall-Legierung) CO-Äquivalent COe) ist unserem üblichen Sauerstoffsensor sehr ähnlich, zeigt aber einen entscheidenden Unterschied: Neben der üblichen Platin- (Pt)-Elektrode zur O 2 - Messung wird eine weitere Elektrode aus einer Pt- Zirkonoxidkeramik Edelmetall-Legierung zur Schutzschicht COe-Messung eingesetzt. O 2 -sensitive Die Referenzelektrode für Elektrode (Pt) beide Messelektroden ist die innere Pt-Elektrode, die vom Referenzgas (meistens Instrumentenluft) umspült wird. Der duale Sensor wurde von der Fa. LAMTEC Walldorf, Deutschland) entwickelt. Gehäuse Referenzelektrode (Pt) Der duale Sensor zur gleichzeitigen Messung von O 2 und COe U H U S Der Messfühler für Sauerstoff Dieser Bereich des dualen Sensors wirkt entsprechend dem Nernstschen Prinzip des Festkörperelektrolyten. Bei konstanter Betriebstemperatur und konstanter Sauerstoffkonzentration im Referenzgas wird das Messsignal für Sauerstoff wie folgt beschrieben: C Sauerstoff Referenzgas U s = A x log 10 C Sauerstoff Messgas + B Legende: U S Sensorsignal in mv A Änderung des Sensorsignals bei einer Änderung der O 2 -Konzentration um den Faktor 10 B Sensor-Offset für C Sauerstoff-Messgas = C Sauerstoff-Referenzgas 3 3

4 Der Messfühler für COe Unverbrannte Restmoleküle werden an der CO/H 2 -sensitiven Elektrode (ähnlich wie die O 2 -Moloeküle) adsorbiert und gelangen zu der Drei-Phasen-Grenzschicht Messgas, Elektrode und Zirkonium. Die Reaktion an der COe-Elektrode ruft ein zusätzliches Signal zum O 2 -Signal hervor. Gerade bei sehr kleinen Konzentrationen an unverbrannten Rest-Bestandteilen wie CO oder H 2 ist dieses Signal beträchtlich größer als das O 2 -Signal. Der duale Sensor reagiert sehr schnell: T 60 - Zeiten von 2 Sekunden sind üblich. Die Größe der Sauerstoffkonzentration hat einen merklichen Einfluss auf das COe-Signal. Es ist daher unerlässlich, das Signal für die gemessene Sauerstoffkonzentration entsprechend zu korrigieren. Hinweise zur praktischen Anwendung: Der duale Sensor benötigt Sauerstoff für den einwandfreien Betrieb, er darf nicht in reduzierender Atmosphäre betrieben werden. Der duale Sensor reagiert sehr empfindlich auf kleine Konzentrationen von COe. Bei höheren Konzentrationen von COe wird die Signalkurve wesentlich flacher. Die Sensoren sollten daher nicht bei COe-Konzentrationen größer als einige tausend ppm COe eingesetzt werden. Für jeden unverbrannten Rest-Bestandteil hat der Sensor eine unterschiedliche Empfindlichkeit. Die Empfindlichkeit für H 2 ist etwa 10 mal so groß wie die für CO, die Empfindlickeit für Methan beträgt dagen nur einen Bruchteil der für CO. Dieses unterschiedliche Verhalten des dualen Sensors muss berücksichtigt werden, wenn Messgas mit verschiedenen unverbrannten Rest-Bestandteilen gemessen wird. Der duale Sensor eignet sich am besten zur Anzeige des Beginns der Ausbildung von COe, d.h. zur Bestimmung des Optimums der Leistungsfähihkeit eines Brenners. Aufgrund der unterschiedlichen Querempfindlichkeiten zu den verschiedenen unverbrannten Restkomponenten ist es nicht empfehlenswert, den dualen Sensor zur Kontrolle einer bestimmten CO-Konzentrationsgröße einzusetzen. ppm COe COe-Signal als Funktion verschiedener Sauerstoffkonzentrationen 4 4

5 Die Pneumatikeinheit Zum Betrieb der AMS oder der AMS Ex Messsonde wird ein Referenzgas in Instrumentenluftqualität benötigt. Es wird empfohlen, in Abständen von drei bis sechs Monaten eine Kalibration mit Luft oder einem Kalibriergas auszuführen. Die Pneumatikeinheit enthält die hierzu notwendige Verrohrung mit einem Druckregler für die Instrumentenluft, Filter, ein manuell zu schaltendes Umschaltventil und Durchflussmesser für das Referenz- und das Kalibriergas. Für die Hochtemperatur-Sonde werden gleichartige Komponenten in der Pneumatikeinheit verwendet, jedoch steuert diese in diesem Falle die Aspirator- Pumpe anstelle der Referenzgasversorgung. Pneumatikeinheit mit elektronischer Kontrolleinheit Twin-Version Elektronische Kontrolleinheit AMS Twin Version Die elektronische Kontrolleinheit AMS 3220 ist die zentrale Versorgungs-, Steuer- und Auswerteeinheit sowohl für den Sauerstoff- als auch für den CO/H 2 - Sensor. Mehrere Gehäusevarianten sind lieferbar. Für den Betrieb der Messsonde AMS ist die elektronische Kontrolleinheit doppelt vorhanden. Diese Version hat die gleiche Arbeitsweise und die identischen Merkmale wie die Standardversion, im Folgenden kurz beschrieben:: Parametrierung und Steuerung des gesamten Messsystems erfolgeen mit nur drei Funktionstasten: eine für die Bedienung, zwei für den Cursor. Ein zweizeiliges Display zeigt den Messwert, die Eingabewerte und die Bedienschritte im Klartext an. Die Parametrierebene, zugänglich über einen speziellen Servicemode, ist mit einem Schlüsselschalter gegen Fremdeingriffe gesichert. Die Selbstüberwachung des Systems mit entspre- chender Fehlermeldung am Display reduziert den Kontrollaufwand durch das Wartenpersonal erheblich. Alle Geräteparameter, wie zum Beispiel die Kalibrierpunkte, Messbereichsgrenzen (Alarmpunkte), die Zuordnung der Displayanzeige und die zwei Analogausgänge können bequem an der Kontrolleinheit eingegeben werden. Die Kalibriergrenzen werden in dem E-PROM der Kontrolleinheit gespeichert. Besonders wichtig für die Zuverlässigkeit der O 2 - und COe-Äquivalent Messung ist natürlich die Erkennung von Fehlern während einer Kalibrierung und die entsprechende Meldung. Die Stabilität des Messsignals während der Kalibrierung und die Plausibilität der ermittelten Korrekturgrößen werden ständig von der Auswerteelektronik geprüft und überwacht. 5 5

6 AMS AMS Ex AMS Sensor für Sauerstoff Sensor für CO-equivalent Betriebsart Gastemperatur maximal Ansprechzeit T 90 - Zeit Nernstian sensor non-nernstian sensor in-situ 350 C 350 C C < 2 Sekunden < 10 Sekunden Schutzart IP 65 Länge minimal 150 mm 150 mm 250 mm Länge maximal 1000 mm 850 mm 2000 mm Flanschgröße minimal DN65 PN16 oder größer oder ANSI äquivalent DN80 PN40 oder größer oder ANSI äquivalent Einbaulage Abwärts gerichtet Abwärts gerichtet DN80 PN40 oder größer oder ANSI äquivalent Abwärts ; senkrecht nach unten für T > 700 C Gewicht kg kg kg Referenzgas Instrumenten Luft Instrumenten Luft Kalibriergas Messgasfluss Staubgehalt Aufheizzeit der Messsonde Umgebungsluft Optional: Instrumenten Luft 1.Wert : Instrumenten Luftr 2.Wert : O 2 / CO-Gasmischung entsprechend der Applikation Keine Begrenzung; für größere Messgasflüsse wird ein Schutzschild oder ein Schutzrohr installiert, um den Abrieb auf der Sonde zu vermeiden 2 g / cm3 bei höherem Staugehalt kann eine Spüleinrichtung geliefert werden (optional) 12 Minuten; stabiler Betrieb nach drei Stunden Sondenmaterial Edelstahl & Entnahmerohr Keramik; Kanthal Optional : Inconel 6 6

7 Serie AMS Technische Daten Elektronische Kontrolleinheit Twin-Version Messbereich Sauerstoff Standard: 0,1 to 25 Vol-% O 2 Messbereich Kohlenmonoxid-Äquivalent ppmv COe Wiederholbarkeit des Messsignals Messgenauigkeit Drift/Monat Digitalanzeige Auflösung der Anzeige Überwachung Signalausgänge Alarme Digitales Interface Verbindungskabel Kontrolleinheit - Messonde Normen Gehäuse Schutzart Abmessungen (BxHxT) Gewicht Umgebungstemperatur + 0,5 % rel. bei konstantem Druck und konstanter Temperatur Abhängig von der Qualität der Kalibriergase 1 % rel. in den Standardmessbereichen Für jede Messkomponente: 20-stellige alphanumerische Anzeige Dreistellig - Sensorheizung - Sensor-Heizwiderstand - Alterung des Sensors Für jede Messkomponente 4-20 ma, einstellbar durch den Betreiber innerhalb vorgegebener Grenzen - Statussignal - Kalibrierung aktiv - ein Wertealarm für Messsignal RS232 Beliebig lang, sofern die Widerstandswerte für die Zuleitungen zu den Heizelementen eingehalten werden EN Elektrische Sicherheit EN EMV Störstrahlung EN EMV Störfestigkeit EN Angaben zum Betriebsverhalten von Gasanalysatoren IP65 Für die Installation Zone 1: ATEX-zertifiertes Ex-d-Gehäuse (0ptional) 200 x 450 x 180 mm ca. 15 kg Spannungsversorgung 115/230 VAC Hz 5 C bis 45 C (Ausführung für niedrigere Temperaturen auf Anfrage) AMS GmbH 2.1 / 2009 Technische Änderungen vorbehalten Texte, Design und Layout: Analytic Journal 7 7