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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung mit
mindestens einer an Gassensormittel anschließbaren Gasprobenentnahmevorrichtung,
die ein hitze- und korrosionsresistentes Gehäuse, einen Gasdurchlass in
dem Gehäuse
und einen mit den Gassensormitteln kommunizierenden Gasraum hat.
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Beispielsweise zur Überwachung
von Vulkanaktivitäten
besteht ein Bedarf zur kontinuierlichen Messung und Auswertung von
Parametern entnommener Vulkangase, wie beispielsweise der Kohlendioxidgehalt,
Radongehalt, Schwefeldioxidgehalt, die Gastemperatur, der Gasdruck
etc..
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Herkömmliche Gasmessgeräte, wie
zum Beispiel Gaschromatographen, Massenspektrometer etc. sind für den Einsatz
im Messfeld auf Grund ihrer Größe, des
Energiebedarfs und der sonstigen Versorgungsmedien, wie zum Beispiel
Trägergas,
nur bedingt einsetzbar. Dabei besteht noch das Problem der relativ
niedrigen Messraten. Auch einsetzbar. Dabei besteht noch das Problem
der relativ niedrigen Messraten. Auch sind keine Gasmesssensoren
verfügbar,
die den an der Messstelle vorherrschenden Umweltbedingungen standhalten.
Die Gasprobenentnahmestellen befinden sich zumeist in großer Höhe, wobei
die Sensoren an der Messstelle einem korrosiven Regen und variablen
Temperaturen ausgesetzt sind. Zudem können die zu messenden Gase aggressiv
sein, insbesondere Gase der Fumarolen von Vulkanen.
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In Francis P., Maciejewski A., Oppenheimer C.
und Chaffin C. (1996) New methods make volcanology research less
hazarodous. EOS, Transaction on the Geophysical Union 77, 41. 193,
396 – 397
sowie in De Natale P., Gianfrani L. und De Natale G. (2001) Optical
methods for monitoring of volcanoes: techniques and new perspectives.
Jornal of Volcanology and Geothermal Research 109 1-3. 235-245 sind
optische Verfahren zur Spektralmessung von Komponenten wie Schwefeldioxid
(SO2) und Chlorwasserstoff (HCL) in den
Gasproben bestimmt. Hierzu wird mindestens eine Infrarot-Lichtquelle
und mindestens ein Spektrometer so positioniert, dass das Spektrum
des durch einen Gasstrom dringenden Infrarot-Lichtstrahls bestimmt
werden kann. Die optischen Verfahren erfordern eine freie Sicht,
die oftmals durch starke Bewölkung
oder durch Dunst eingeschränkt
ist. Zu dem sind die verfügbaren
Geräte relativ
groß und
schwer und verbrauchen relativ viel Energie.
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In Toutain J.-P., Baubron J.-P.,
Le Bronec J., Allard P., Briole P., Marty B., Miele G., Tedesco
D. und Luongo G. (1992) Continuous monitoring of distal gas emanations
at Vulcano, southern Italy. Bull Volcanol 147 – 155 und in Shimoike Y. und
Notsu K. (2000) Continuous chemical monitoring of volcanic gas in Izu-Oshima
volcano, Japan. Journal of Volcanology and Geothermal Research 101,
211 – 221
sind chemische Überwachungsverfahren
beschrieben, bei denen die Gasbestandteile von Wasser analysiert werden,
das aus einem Wasserbrunnen oder aus einer Bohrung am Rande von
Vulkanen austritt. Die Umweltbelastung an diesen Messstellen ist
geringer als an den Messstellen der Fumarolen im Bereich der Vulkankrater.
Zudem sind die Wasserentnahmestellen leichter zugänglich als
ein Vulkankrater.
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Obwohl ein Zusammenhang zwischen
der Gaszusammensetzung in dem analysierten Wassergemisch und den
Fumarolengasen besteht, ermöglicht
die chemische Überwachung
keine direkte Messung der Fumarolengase.
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In Zimmer M. und Erzinger J. (1998)
Geochemical Monitoring on Merapi Volcano, Indonesia. Mitteilung
Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e. V., DGG Special Issue
III/98 ISSN-Nr. 0947-1944.89-92 und Zimmer M., Erzinger J. und Sulistiyo
Y. (2000) Continous Chromatographic Gas Measurements on Merapi Volcano,
Indonesia. Mitteilungen Deutsche Geopysikalische Gesellschaft e.
V., DGG Special Volume IV/2000. ISSN-Nr. 0947-1944, 87 – 91 ist
die Messung von Fumarolengasen mit Hilfe von gaschromatographischen
Geräten
beschrieben, wobei die Gasproben über Schlauchleitungen und Wasserfallen
zur Reduzierung des Wasserdampfgehalts der entnommenen Gasproben
zu Gassensormitteln geleitet werden. Die Gassensormittel werden
mit Solarenergie versorgt, wobei die kontinuierliche Energieversorgung
durch einen Akkumulator sichergestellt wird. Die Messdaten werden über eine Funkschnittstelle
bestehend aus einem Modem und einem Mobilfunkgerät an eine entfernte Auswertezentrale übermittelt.
Die Messeinrichtung kann über die
Funkschnittstelle von der Auswertezentrale ferngesteuert werden.
Die Messrate ist nachteilig auf Grund der verwendeten Gaschromatografen
und Radon-Alpha-Szintillometer als Gassensormittel relativ gering.
So werden die Konzentration von Wasser H2O,
Stickstoff CO2, Schwefeldioxid SO2 und Schwefelwasserstoff H2S
alle 35 Minuten und die Radon-Konzentrationen
und die Fumarole-Temperatur alle 70 Minuten gemessen.
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In Faber E., Inguaggiato S., Garzón-Valencia G.
und Seidl D. (1998) Continuous Gas Measurements at Volcanic Fumaroles.
Mitteilungen Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e. V. DGG Special Volume
III/1998. ISSN-Nr. 0947-1944, 83 – 87 ist eine ähnliche
Messeinrichtung beschrieben, bei der Gasprobenentnahmesonden in
Fumarolen eines Vulkans eingebracht sind. Die Gasprobenentnahmesonden sind
hohle Stahllanzen mit Gasdurchtrittsöffnungen, an die eine Edelstahl-Schlauchleitung
angeschlossen ist. Die Edelstahl-Schlauchleitung wird an mindestens
ein Extraktionsmittel in Form einer Wasserfalle zur Reduzierung
des Wasserdampfgehalts der entnomme nen Gasprobe geführt und über eine
Teflon-Schlauchleitung und Polyethylen-Schlauchleitung und einer Gaspumpe zu
Gassensoren wie Massenspektrometern, Radon-Messgeräten, Gaschromatographen
und Mulitsensoren zur Detektierung der Konzentration verschiedener
Gaskomponenten geleitet. Die Messdaten werden über eine Funkübertragungsmittel
telemetrisch an eine entfernt von der Messstelle angeordnete Auswerteeinheit übersandt. Mit
Hilfe der Funkübertragungsmittel
ist auch eine Fernsteuerung der Gassensormittel und Gasprobenpumpe
durch die Auswerteeinheit möglich.
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Das Problem bei den beschriebenen
herkömmlichen
Gasmessverfahren besteht darin, dass die Gasprobenentnahmevorrichtungen
extremen Witterungseinflüssen
durch Korrosion und hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Zu dem führt insbesondere
der hohe Schwefelgehalt in den entnommenen Gasproben dazu, dass
die Schlauchleitungen verstopfen und die Gassensoren zerstört werden.
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Aufgabe der Erfindung war es daher,
eine verbesserte Messeinrichtung für Gasproben zu schaffen, mit
der eine zuverlässige Überwachung von
Konzentration verschiedener Bestandteile in den Gasproben mit hohen
Messraten auch bei extremen Umweltbedingungen möglich ist.
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Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Messeinrichtung
erfindungsgemäß gelöst durch
eine hitze- und korrosionsresistente Membrananordnung, die zwischen
dem Gasdurchlass und dem Gasraum angeordnet ist.
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Es hat sich gezeigt, dass störende Ablagerungen
in der Gasprobenentnahmevorrichtung und den Schlauchleitung auftreten
und diese Ablagerungen vermieden werden müssen. Dabei hat sich herausgestellt,
dass durch Verwendung einer Membrane die Ablagerungen erheblich
reduziert werden konnten, die Gasproben jedoch mittels Diffusion durch
die Membrane immer noch in den Gasraum gelangen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
der Gasraum der Gasprobenentnahmevorrichtung einen Gasprobeneinlass
und einen Gaspobenauslass hat, um eine durch den Gasprobenauslass
entnommene Gasprobe nach der Gasprobenmessung mit den Gassensormitteln
wieder durch den Gasprobeneinlass in den Gasraum zurückzuleiten.
Die entnommenen Gasproben gelangen dann mittels Diffusion durch
mindestens eine Membrane der Membrananordnung in den Gasraum und
werden von dort über den
Gasprobenauslass und Gassensormittel wieder zurück durch den Gasprobeneinlass
in den Gasraum gepumpt. In der Messeinrichtung stellt sich dann nach
kurzer Zeit ein Gleichgewicht mit dem Gas in der Umgebung der Gasprobenentnahmevorrichtung ein
und es erfolgt nur dann ein Netto-Gasfluss der nicht kondensierbaren
Komponenten durch die Membrananordnung wenn, sich die Zusammensetzung des
zu messenden Gases ändert.
Hierdurch kann das Auftreten von Ablagerungen weiter verringert werden.
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Die mindestens eine Gasprobenentnahmevorrichtung
ist vorzugsweise mit jeweils einer Schlauchleitung an zugeordnete
Gassensormittel angeschlossen. Dabei sollte die Schlauchleitung
im Bereich der Gasprobenentnahmevorrichtung ebenso wie das Gehäuse und
die Membrananordnung hitze- und korrosionsresistent sein. Vorzugsweise
besteht das Gehäuse,
die Membrananordnung und/oder die Schlauchleitung aus Teflon.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Schlauchleitung mit
einer Spüleinrichtung
verbunden ist, um die Schlauchleitung in Intervallen mit einem Spülmittel
zu durchspülen,
das mit Hilfe einer Spülmittelpumpe durch
die Schlauchleitung gepumpt wird. Zur Spülung des Gasdurchlasses und
der Membranordnung ist die Spüleinrichtung
vorzugsweise mit der Gasprobenentnahmevorrichtung kommunizierend
verbunden. Auf diese Weise können
Ablagerungen in der Messeinrichtung regelmäßig auch ferngesteuert beseitigt
werden.
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In die Schlauchleitung kann in bekannter Weise
mindestens ein Extraktionsmittel, beispielsweise eine Wasserfalle,
geschaltet sein, um den Wasserdampfgehalt in der entnommenen Gasprobe zu
reduzieren.
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Die Gassensormittel sind vorzugsweise
Gassensoren zur Detektion des Kohlendioxidgehalts, des Radongehalts,
des Schefeldioxidgehalts, der Gastemperatur und/oder des Gasdrucks.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn
die Messeinrichtung Positionsbestimmungsmittel, insbesondere satellitengestützte Ortungsmittel,
zur Erfassung der Ortsposition der Messeinrichtung hat. Die Positionsbestimmungsmittel,
beispielsweise Global-Positioning-Systeme
(GPS), werden hierbei an den Gasprobenentnahmestellen oder im Bereich
der Gassensormittel aufgestellt und können elektrisch in das System
der Messeinrichtung integriert sein.
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Weiterhin sind vorzugsweise Funkübertragungsmittel
zur Übertragung
der gemessenen Daten für
die entnommenen Gasproben an eine zentrale Messdatenauswertereinheit
und zur Übertragung von
Steuerungsdaten von der zentralen Datenauswertereinheit an die Messvorrichtung
vorgesehen. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Fernüberwachung
möglich.
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Die Messeinrichtung hat weiterhin
vorzugsweise mehrere über
eine Feldbusleitung miteinander verbundene Steuerungseinheiten,
an die jeweils die Gassensormittel für eine zugeordnete Gasprobenentnahmevorrichtung
geschaltet sind. Für
jede Gasprobenentnahmevorrichtung und zugeordnete Messstelle können somit
auf einfache Weise die zugeordneten Gassensormittel an eine gemeinsame
Steuerungseinheit geklemmt werden, ohne dass eine aufwendige Verdrahtung
und ein Öffnen
der Gehäuse der
verwendeten Messmittel, insbesondere der Gassensormittel, erforderlich
wird.
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Die Funkübertragungsmittel werden vorzugsweise
ebenfalls an die Feldbusleitung geklemmt. Zudem können die
Steuerungseinheiten jeweils mit autarken Energieversor gungsmitteln,
insbesondere Solarzellenversorgungen gespeist sein. Zudem ist es
vorteilhaft, wenn Analog-/Digital-Wandler zwischen die Gassensormittel
und die Steuerungseinheiten geklemmt sind. Mit Hilfe der Steuerungseinheiten
wird somit ein variabel verschaltbares Überwachungssystem realisiert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 Querschnittsansicht
einer erfindungsgemäßen Gasprobenentnahmevorrichtung
mit Membran;
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2 Querschnittsansicht
einer zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Gasprobenentnahmevorrichtung
mit Doppelmembran;
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3 Draufsicht
auf die Gasprobenentnahmevorrichtung nach 2
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4 Messeinrichtung
mit Gasprobenentnahmevorrichtung, Extraktionsmitteln und Gassensormitteln
sowie einer Spüleinrichtung;
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5 Messeinrichtung
mit einer Gasprobenentnahmevorrichtung und Schlauchleitungen zur Hin-
und Rückführung der
entnommenen Gasproben;
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6 Blockdiagramm
eines Messsystems mit über
einen Feldbus zusammengeschalteten Messeinrichtungen für mehrere
Messstellen.
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Die 1 lässt eine
Gasprobenentnahmevorrichtung 1 zur Entnahme von Gasproben
G im Querschnitt erkennen. Die Gasprobenentnahmevorrichtung 1 hat
ein hitze- und korrosionsresistentes Gehäuse 2 vorzugsweise
aus Teflon, dass mit einer Halterung 3 an einen Haltestab
montiert und an eine Gasprobenentnahmestelle positioniert werden
kann.
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Die Gasprobe G wird durch eine gasdurchlässige Halte-
und Schutzplatte 4, die einen Gasdurchlass bildet, in einen
Gasraum 5 geleitet. Zwischen der Halte- und Schutzplatte 4 und
dem Gasraum 5 ist eine dampfdurchlässige Membran 6 sowie eine
Siebplatte 7 zur Aussonderung von Feinbestandteilen des
Dampfstroms angeordnet. Der Gasraum 5 ist mit einem Gasprobenauslass 8 gekoppelt, an
den eine Schlauchleitung zum Ableiten der entnommenen Gasproben
G zu Gassensormitteln geklemmt werden kann.
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Durch die vorzugsweise aus Teflon
bestehende Membran werden insbesondere Schwefelablagerungen in den
Gasproben G von dem Gasraum 5, den daran angeschlossen
Schlauchleitungen und den Gassensormitteln ferngehalten.
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Die 2 lässt eine
andere Ausführungsform
einer Gasprobenentnahmevorrichtung 1 mit einem zylinderförmigen Gehäuse 2 erkennen.
Die Membrananordnung ist als sogenannte Doppelmembran mit jeweils
einer Membran 6a, 6b rechts und links von dem
Gasraum 5 ausgeführt.
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Das Gas strömt durch Gasdurchlässe 9 in den äußeren zylirderförmigen Raum 10 des
Gehäuses 2 hinein,
der den inneren Gasraum 5 umgibt.
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In den inneren Gasraum 5 ist
mindestens eine Schlauchleitung 11 geführt, die mit den Gassensormitteln
kommuniziert.
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Die 3 lässt die
Gasprobenentnahmevorrichtung 1 aus der 2 in der Draufsicht erkennen. Mit dem
inneren Gasraum 5 ist eine erste Schlauchleitung 11 zum
Ableiten der Gasproben G sowie eine weitere Schlauchleitung 12 zum
Rückführen der
entnommenen Gasproben G in den inneren Gasraum 5 vorgesehen.
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Die Gasprobenentnahmevorrichtung 1 kann somit
als geschlossenes System in eine Messeinrichtung integriert werden,
wobei sich ein Gleichgewicht zwischen der Gasprobe G im Inneren
der Messeinrichtung zu dem Gas in der Umgebung der Gasprobenentnahmevorrichtung 1 einstellt.
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Die Integration der oben beschriebenen Gasprobenentnahmevorrichtungen
in eine Messeinrichtung wird aus der 4 deutlicher,
die eine Messeinrichtung als Blockdiagramm zeigt. Die Gasprobenentnahmevorrichtung 1 ist
eine Fumarole eines Vulkans und wird dort mit einer Haltestange 13 gehalten.
An die Gasprobenentnahmevorrichtung 1 ist eine Schlauchleitung 11 gekoppelt,
um die entnommenen Gasproben G über
Extraktionsmittel 14a, 14b, 14c zu Gassensormitteln 15a, 15b zu
leiten. Die Extraktionsmittel 14a, 14b, 14c sind
Wasserfallen mit denen der Wasserdampfgehalt der entnommenen Gasproben
G reduziert wird. Hierzu ist ein Schlauchabschnitt der Schlauchleitung 11 senkrecht angeordnet
und das untere Ende in ein Wasserbehälter zur Verhinderung eines
Gasaustritts getaucht. Durch Kondensation der entnommen Gasprobe
G fließt
Kondenswasser in den Wasserbehälter.
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Als Gassensormittel 15 können bekannte Gaschromatographen,
Massenspektrometer, Radon-Sensoren oder sonstige Sensoren für bestimmte Gaskomponenten
und/oder Multisensoren zur Erfassung der Konzentration verschiedener
Bestandteile der Gasprobe G eingesetzt werden.
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Weiterhin ist ein korrosions- und
hitzeresistentes Thermometer 16, vorzugsweise ein Thermoelement,
zur Ermittlung der Gastemperaturen sowie eine Druckmessanordnung 17 zur
Ermittlung des Gasdrucks P in die Fumarole eingebracht.
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Erfindungsgemäß ist eine Spüleinrichtung 18 vorgesehen,
die an die Gasprobenentnahmevorrichtung 1 bzw. die Schlauchleitung 11 mit
einer Spülleitung 19 angeschlossen
ist. Die Spüleinrichtung 18 hat
eine Pumpen-/Ventilanordnung 20 um Spülmittel 21 aus einem
Spülmittelbehälter 22 durch
die Gasprobenentnahmevorrichtung 1 und die Schlauchleitung 11 zu
pumpen. Auf diese Weise können
Ablagerungen durch Spülungen
in Spülintervallen
beseitigt werden.
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Die 5 lässt eine
andere Ausführungsform
der Messeinrichtung als Blockdiagramm erkennen. Hierbei hat die
Gasprobenentnahmevorrichtung 1 einen Gasprobeneinlass und
einen Gasprobenauslass entsprechend der in der 3 dargestellten Ausführungsform, wobei eine erste
Schlauchleitung 11 zum Ableiten einer Gasprobe G über Extraktionsmittel 14 zu
den Gassensoren 15a, 15b an einen Gasprobenauslass 8 geklemmt
ist. Die mit den Gassensoren 15 analysierte Gasprobe G
wird mit Hilfe einer Gaspumpe 23 über eine weitere Schlauchleitung 12 durch
den Gasprobeneinlass der Gasprobenentnahmevorrichtung 1 in
den inneren Gasraum 5 zurückgeleitet.
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Die aus der Fumarole entnommene Gasprobe
G gelangt mittels Diffusion durch die Membrane 6 in den
inneren Gasraum 5 der Gasprobenentnahmevorrichtung 1.
Durch das geschlossene System stellt sich in der Messeinrichtung
nach einer kurzen Zeit ein Gleichgewicht der in den Schlauchleitungen 11 und 12 befindlichen
Gasprobe G mit dem Gas in der Umgebung der Gasprobenentnahmevorrichtung 1 ein,
das heißt
mit den Fumarolengasen. Dadurch erfolgt nur dann ein Netto-Gasfluss
der nicht kondensierbaren Komponenten durch die Membranen 6, wenn
sich die Zusammensetzung des zu analysierenden Gases ändert. Dadurch
ist die Messeinrichtung erheblich weniger den aggressiven Einflüssen des
zu messenden Gases ausgesetzt und schädliche Ablagerungen werden
reduziert.
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Die 6 lässt ein
System mit einer Vielzahl von Gasprobenentnahmevorrichtungen 1a, 1b, 1c erkennen,
die jeweils in der oben beschriebenen Weise über Schlauchleitungen an Gassensormitteln 15 geklemmt
sind.
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Die Gassensormittel 15 sind
wiederum mit Analog-Digital-Wandlern 24 verbunden, die
jeweils an eine Steuerungseinrichtung 25 geklemmt sind. Weiterhin
ist ein Taktgeber 26 zur Zählung der Messrate vorgesehen
und mit den Gassensormitteln 15 und den Steuerungseinheiten 25 verbunden.
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Die Energieversorgung erfolgt mit
einer autarken Energieversorgungseinheit 27 mit Solarpaneels 28 und
Speicherbatterien 29. Alternativ kann auch eine Energieversor gung
durch Ausnutzung des Gasdrucks oder der Wärmeenergie an der Messstelle
erfolgen.
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Die Steuerungsmittel sind mit Funkübertragungsmitteln 30 verbunden,
um die Messdaten telemetrisch an eine entfernte Auswerteeinheit
zu übertragen.
Zu dem sind die Steuerungseinheiten 25 derart ausgebildet,
dass eine Fernsteuerung der Messeinrichtung von einer externen Auswerteeinheit über die
Funkübertragungsmittel
30 ermöglicht
wird.
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Die Steuerungseinheiten 25 sind über einen digitalen
Feldlbus 31 miteinander gekoppelt. Die einzelnen Komponenten
der Messeinrichtung sind hierbei so ausgebildet, dass diese mit
robusten Stecksystemen einfach elektrisch zusammengeschaltet werden
können.
Der Feldbus 31 hat den Vorteil, dass Erweiterungen und
Ergänzungen
der Messeinrichtung ohne Eingriffe in die bereits bestehenden Komponenten
erfolgen kann.
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Die Temperaturmessung erfolgt vorzugsweise
mit einem Thermoelement, dass in einen Teflonschlauch eingebettet
und somit gegenüber
Korrosion geschützt
ist. Die Druckmessung erfolgt mit einem Drucksensor, der an einem
vom heißen
Bereich der Fumarole entfernten Ende eines Teflonschlauchs angeordnet
ist. Das andere offene Ende des Teflonschlauchs ist gegen die Richtung
des ausströmenden
Gases gerichtet.
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Die Messeinrichtung ist vorzugsweise
zur Messung von Fumarolengasen von Vulkanen geeignet, kann aber
auch zur Messung von Gasen in anderen Umgebungen, wie zum Beispiel
zur Überwachung
von Bodengasen oder Gasen in der Atmosphäre eingesetzt werden.
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Die Messeinrichtung hat weiterhin
vorzugsweise Positionsbestimmungsmittel, insbesondere satellitengestützte Ortungsmittel
nach dem Global-Positioning-System GPS, so dass die gemessenen Parameter
der entnommenen Gasprobe G in einer zentralen Auswerteeinheit einer
Ortsposition zugeordnet werden kann. Für eine bewegliche Messeinrichtung kann
damit auf einfache Weise eine Kartierung der Messdaten und eine
Erstellung von Isolinien-Karten erfolgen.