MSE VL Konzentration_WS_2016 - (upp)

MESSEN VON STOFF- UND ENERGIESTRÖMEN
KONZENTRATIONSMESSUNG
Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach
Wintersemester 2015/2016
Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach
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KONZENTRATIONSMESSUNG - MESSEN VON
GASFÖRMIGEN EMISSIONEN
Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach
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Absorptionsspektroskopie
Ziel: Analyse von Gaskonzentrationen
• Einsatz der Messmethode im Wellenlängenbereich von
Ultraviolett bis zu Mikrowellen, hauptsächlich jedoch im infraroten
Wellenlängenbereich.
• Der Messeffekt entsteht durch Wechselwirkung der
elektromagnetischen Strahlung mit inneren Energiezuständen der
Moleküle der Atome.
• Der Absorptionsgrad der Strahlung ist ein Maß für die
entsprechende Gaskonzentration im Abgas.
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Nichtdispersives Infrarotmessverfahren (NDIR) (I)
Abbildung: Schematischer
Aufbau eines NDIR- Gerätes
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NDIR (II)
Messprinzip
• Ein Strahler emittiert breitbandiges, infrarotes Licht, das sowohl durch
eine mit dem Abgas durchströmte Messküvette als auch durch eine
mit Inertgas gefüllte Vergleichsküvette gelangt.
• Das benutzte Inertgas (z.B. Stickstoff) lässt Infrarotstrahlen im
interessierenden Spektralbereich ungehindert durch.
• Anschließend durchläuft die Strahlung eine mit der zu messenden
Gaskomponente (z.B. CO) gefüllte Detektorkammer.
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NDIR (III)
Absorptionsspektren eines Messgases/Detektorgas
Absorptionsspektren eines Messgases/Detektorgas und Spektrum des Strahlers
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NDIR (IV)
• Das Gas im Detektor wird abhängig von der absorbierten Menge
angeregt und erwärmt sich => Änderung des Drucks
• Die Infrarotstrahlung regt das Gas in der zweiten Detektorkammer
um den in der Messküvette im Abgas absorbierten Anteil stärker an
• Die Druckdifferenz zwischen dem Detektor im Abgasstrahlengang
und dem Detektor im Referenzstrahlengang ist proportional zur
Komponente im Abgas, die gemessen werden soll. Sie kann bspw.
kapazitiv mit einem Membrankondensator oder pneumatisch
mittels Strömungsmessung bestimmt werden.
• Einsatz der NDIR-Methode für Gaskomponenten: CO, CO2, NO und
C6H14
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Chemilumineszenzverfahren (I)
Ziel: Bestimmung der Anteile von Stickstoffoxiden (NO oder NOx ) im Messgas
Messprinzip:
ca. 10% NO2 befindet sich im angeregten Elektronenzustand.
Moleküle geben ihren Energieüberschuss in Form einer optisch messbaren
Fluoreszenzstrahlung = Chemilumineszenzstrahlung h ab und wechseln in ihren
Grundzustand zurück:
Die abgegebene Strahlung liegt in einem Spektralbereich zwischen 590 nm und 3000
nm und ist ein direktes Maß für die zu messende NO-Konzentration im Abgas.
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Chemilumineszenzverfahren (II)
Messprinzip (Forts.)
•
Um auch die im Abgas enthaltenen NO2 - Anteile messen zu können, müssen diese vor der
Reaktion von NO mit Ozon in einem Konverter zu NO reduziert werden.
•
Die Reaktion läuft oberhalb einer Temperatur von 925 K ab.
•
Als Katalysator der Reaktion wirken die Molybdänanteile im Rohrmaterial des Konverters
bzw. die Aktivkohle im Konverter:
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Chemilumineszenzverfahren (III)
Ablauf
•
Das Abgas wird einen Thermo-Konverter geleitet: Ende der Reaktion von NO2
zu NO
•
Das konvertierte Gas gelingt in die Reaktionskammer. Das Ozon wird in einem
Ozonisator aus Sauerstoff der Umgebungsluft oder aus einem Sauerstoffvorrat
erzeugt:
•
Aus dem Ozonisator strömt das Ozon durch eine Kapillare in die Reaktionskammer
•
Die Strahlung gelangt durch einen Interferenzfilter auf einen Fotomultiplier => aus
dessen Signal wird die Stickoxid-Konzentration im Abgas bestimmt
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Chemilumineszenzverfahren (IV)
Messaufbau
Abb.: Prinzipieller Aufbau eines Chemilumineszenzanalysators (CLA bzw. CLD)
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Ionisationsverfahren (I)
Ziel: Messung von Kohlenwasserstoffen
Analysegerät: Flammenionisationsdetektor (FID) (laut ECE-R 83 Vorschrift)
Prinzip: Messung der Summe aller Kohlenwasserstoffe =
jeder Kohlenwasserstoff trägt entsprechend der Anzahl der in den jeweiligen Molekülen
enthaltenen Kohlenstoffatome zum Gesamtergebnis bei
Beispiel: Hexan (C6H14) besitzt sechs Kohlenstoffatome und muss damit theoretisch das
sechsfache Signal des Methans (CH4) mit einem Kohlenstoffatom erzeugen
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Ionisationsverfahren (II)
Flammionisationsdetektor (FID), Messprinzip
Kohlenwasserstoffmoleküle werden in einer Wasserstoffflamme ionisiert
 Anzahl der Ionen entspricht der Anzahl der Kohlenstoffatome
Abb.: Messaufbau des
Flammionisationsdetektors
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Ionisationsverfahren (III)
Flammionisationsdetektor (FID), Beschreibung des Messprinzips
• Das Abgas wird vor der Brennerdüse mit dem Brenngas (z.B.
Wasserstoff oder ein Gemisch aus Helium und Wasserstoff) vermischt.
• Die Luft für die Verbrennung strömt in den Brennraum hinein.
• Die Diffusionsflamme brennt zwischen zwei Elektroden, an denen eine
Spannung von ca. 200 V anliegt.
• Die Brennerdüse dient als Anode, die Kathode ist ringförmig um die
Düse angeordnet.
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Ionisationsverfahren (IV)
Flammionisationsdetektor (FID), Beschreibung des Messprinzips (Forts.)
• Die an den Elektroden angelegte Saugspannung zieht die gebildeten
Ionen zur Kathode. Dieser Ionenstrom ist dem C-Gehalt des
gemessenen Abgases proportional.
• Vor der Ionisation müssen Kohlenwasserstoffmoleküle mit mehreren CAtomen in Krackprodukte zerlegt werden, die jeweils nur ein C-Atom
enthalten.
• Da das Messsignal des Detektors durch die pro Zeiteinheit in die
Flamme gelangenden Kohlenwasserstoffmoleküle bestimmt wird, muss
der Volumenstrom des Messgases, des Brenngases und der Brennluft
konstant gehalten werden.
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Ionisationsverfahren (V)
Flammionisationsdetektor (FID), Nachteile und mögliche Fehlerquellen
Nachteil des Verfahrens: Beeinflussung der Ionisation durch andere
Abgaskomponenten.
Entstehung möglicher Messfehler durch wechselnde Konzentrationen
von Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserdampf, Stickoxid
und Stickstoff sowie durch die die Struktur der Moleküle
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Paramagnetisches Messverfahren (I)
Grundlagen
• Sauerstoff lässt sich nicht mit Absorptionsverfahren messen, da er
keine Strahlung in spektralen Bereichen absorbiert.
• Sauerstoff ist paramagnetisch; er wird in Magnetfelder
hineingezogen.
• Bei Abgasuntersuchungen muss beachtet werden, dass auch
Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid paramagnetisch sind.
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Paramagnetisches Messverfahren (II)
Paramagnetisches Drehwaageverfahren, Messaufbau
Abb.: Paramagnetisches Drehwaageverfahren
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Paramagnetisches Messverfahren (III)
Paramagnetisches Drehwaageverfahren, Messprinzip
• Das Abgas strömt in eine Messkammer mit zwei Permanentmagneten,
die ein inhomogenes Magnetfeld erzeugen.
• In der Mitte des Magnetfeldes befindet sich ein drehbar aufgehängter
hantelförmiger Körper, an dessen Enden sich zwei mit
diamagnetischem Stickstoff gefüllte Verdrängungskörper befinden.
• Die Lichtstrahlen, die von einer Lichtquelle auf einen am
hantelförmigen Körper befestigten Spiegel fallen, werden von
Fotozellen aufgenommen, die jede Drehbewegung des Körpers
registrieren.
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Paramagnetisches Messverfahren (IV)
Paramagnetisches Drehwaageverfahren, Messprinzip (Forts.)
• Befindet sich in dem einströmenden Abgas Sauerstoff, so wird er
aufgrund seiner paramagnetischen Eigenschaft in die Mitte des
Magnetfeldes gezogen und verdichtet sich dort.
• Dies bewirkt, dass die zwei Verdrängungskörper aus dem Feld
herausgedrängt werden und es zu einer Drehung des gesamten
Körpers kommt.
• Diese Winkeländerung wird mit Hilfe des Spiegels und der Fotozellen
registriert und daraus ein dem Anteil des Sauerstoffs im Abgas
proportionales Messsignal erzeugt.
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Paramagnetisches Messverfahren (V)
Paramagnetisches Drehwaageverfahren, Nachteile
• Andere paramagnetische Gase wie NO und NO2 beeinflussen stark das
Messergebnis.
• Der kleinste realisierbare Messbereich für O2 liegt bei 1 Vol.-% und die
Ansprechzeiten des Gerätes bei über 2 Sekunden
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Paramagnetisches Messverfahren (VI)
Paramagnetisches Differenzdruckverfahren, Messaufbau
Abb.: Paramagnetisches Differenzdruckverfahren
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Paramagnetisches Messverfahren (VII)
Paramagnetisches Differenzdruckverfahren, Messprinzip Methode 1
•
In eine Messkammer strömen das zu messende Abgas und von zwei
gegenüberliegenden Seiten ein diamagnetisches Referenzgas (z.B. Stickstoff).
•
Eine Zuführung des Referenzgases in die Messkammer liegt in einem
Wechselmagnetfeld.
•
Im Grenzbereich zwischen zugeführtem Referenzgas und sauerstoffhaltigem Abgas
entsteht ein Druck, der größer ist als der Druck in der Messkammer.
•
Durch das Wechselmagnetfeld entsteht eine wechselnde Druckdifferenz, die in einem
Querkanal, der beide Referenzkanäle miteinander verbindet, von einem
Mikroströmungsfühler registriert wird.
•
Aus den Druckschwankungen kann auf den Sauerstoffgehalt im Abgas geschlossen
werden.
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Paramagnetisches Messverfahren (VIII)
Paramagnetisches Differenzdruckverfahren, Messprinzip Methode 2
• Abgas mit paramagnetischem Sauerstoff und ein diamagnetisches
Referenzgas strömen von entgegen gesetzten Seiten in eine
Messkammer, in deren Mitte sich ein magnetisches Wechselfeld
befindet.
• Der Sauerstoff wird in das Magnetfeld hineingezogen, das
Vergleichsgas daraus verdrängt, so dass Druckschwankungen auf
beiden Seiten der Kammer entstehen.
• Diese sind bei konstanter Mess- und Referenzgaszufuhr proportional
zum Sauerstoffgehalt im Abgas und werden von einem Drucksensor
registriert.
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Elektrochemisches Messverfahren (I)
Lambda-Sonde, Messaufbau
Abb.: Messaufbau einer Lambda-Sonde
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Elektrochemisches Messverfahren (II)
Lambda-Sonde, Messprinzip
• Die Lambda-Sonde ist ein Sauerstoffsensor, der im Abgasstrom das
Luft-Brennstoff-Verhältnis bestimmt.
• Die meistens aus Zirkoniumdioxid (ZrO2) bestehende Sonde ist derart
in das Abgasrohr eingebaut, dass die Außenelektrode (äußere
Platinschicht auf dem ZrO2) vom Abgas umspült wird, während die
Innenelektrode (innere Platinschicht) mit Umgebungsluft in
Verbindung steht.
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Elektrochemisches Messverfahren (III)
Lambda-Sonde, Messprinzip (Forts.)
•
Da die ZrO2-Keramik bei Temperaturen ab ca. 300 °C für Sauerstoffionen leitend wird,
entsteht bei unterschiedlichen Sauerstoffanteilen zwischen beiden Grenzflächen eine
elektrische Spannung.
•
Ist der Sauerstoffanteil auf beiden Seiten der Sonde verschieden groß, so ergibt sich
aufgrund der Eigenschaften des verwendeten Werkstoffes ein sprunghafter
Spannungsverlauf im Bereich λ = 1 (hohe Spannung bei λ < 1 und kleine Spannung bei
λ > 1).
•
Diese Sauerstoffsensoren werden vor allem für die Regelung λ = 1 von
Katalysatormotoren eingesetzt.
•
Alternativ zur Zirkoniumdioxidsonde können auch Halbleiter -Widerstandssensoren
aus Metalloxiden wie TiO2 oder Nb2O5 verwendet werden.
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Überblick Messverfahren Konzentrationsmessung
Zusammenfassend die Verfahren, auf denen die meisten Messgeräte
basieren:
•CO=CO2: NDIR (Nichtdispersives Infrarotabsorptionsmessverfahren)
•HC: FID (Flammenionisationsverfahren)
•O2: Paramagnetisch
•NOx: CLD (Chemilumineszenzverfahren) oder
•NOx :NDUV (Nichtdispersives Ultraviolettmessverfahren)
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Messgeräte Konzentrationsmessung (I)
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29
Messgeräte Konzentrationsmessung (II)
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Messgeräte Konzentrationsmessung (III)
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Rauchgasvolumenstrommessung
Mobil ↔ Stationär
• Mobil, mit tragbaren Analysegeräten (Schornsteinfeger,
Servicearbeiten etc.)
• Stationär, über fest eingebaute Geräte
- Direktmessung eines Prozessstroms (in situ)
- Messung von Proben aus einem
Prozessstrom (extraktiv)
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Literatur
• Klingenberg, H.: Automobil-Messtechnik,
Band C: Abgasmesstechnik.
Heidelberg: Springer-Verlag 1995
• Hoffman, Jörg et al.: Taschenbuch der Messtechnik.
Leipzig: Fachbuchverlag im Carl Hauser Verlag 2004
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VIELEN DANK FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT
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