In-situ-Gasanalysator ausrichten: Staub, Spülluft und optische Wegstrecke als Fehlerquellen beherrschen

→ Produktkategorie: In-situ kontinuierliche Prozess-Gasanalytik

 

Ein In-situ-Lasergasanalysator ist direkt an einem Rauchgas- oder Prozesskanal montiert.

Sender und Empfänger liegen sich gegenüber.

Der Analysator arbeitet zunächst stabil.

Nach einigen Wochen sinkt jedoch die optische Transmission.

Die Messwertanzeige wird unruhiger und schließlich meldet das Gerät eine schlechte Signalqualität.

Liegt die Ursache am Prozessgas?

Möglicherweise – aber ebenso kommen infrage:

• eine verschobene optische Achse,
• verschmutzte optische Flächen,
• unzureichende Spülluft,
• Staubablagerungen vor den Spülrohren,
• eine falsch berücksichtigte optische Weglänge,
• thermisch verformte beziehungsweise bewegte Prozessflansche.

Bei einem In-situ-Lasergasanalysator gehören die mechanische Montage, die optische Ausrichtung und die Spülung unmittelbar zur Messkette.

Anders als bei einer extraktiven Gasanalytik wird das Messgas nicht entnommen und aufbereitet.

Die Messung erfolgt direkt durch das Prozessgas:

Sender → Prozessgas → Empfänger

Damit beeinflussen alle Bedingungen innerhalb dieser optischen Strecke unmittelbar die verfügbare Lichtleistung und damit die Qualität der Messung.

Die wichtigsten Zusammenhänge sind:

optische Achse → Licht muss sicher auf den Empfänger treffen

Staub → schwächt und streut die Laserstrahlung

Spülgas → schützt Optik und beeinflusst die effektive Messstrecke

Weglänge → beeinflusst Absorption und Nachweisgrenze

Temperatur + Druck → beeinflussen die spektroskopische Auswertung

Eine schlechte Transmission darf deshalb nicht einfach durch eine größere Zeitkonstante oder eine andere Skalierung „beruhigt“ werden. Zuerst muss geklärt werden, warum das optische Signal schlechter geworden ist.

Passende In-situ-Systeme finden Sie bei ICS Schneider unter In-situ kontinuierliche Prozess-Gasanalytik sowie unter Siemens Prozessinstrumentierung.

Wie funktioniert ein In-situ-Lasergasanalysator?

Bei der In-situ-Gasanalytik wird die Gaskonzentration direkt im Prozess gemessen.

Eine typische Cross-Duct-Anordnung besteht aus:

Sender → Prozesskanal → Empfänger

Kein klassischer Messgastransport

Bei einem extraktiven Analysator wird dagegen:

Prozessgas → Entnahme → Leitung → Aufbereitung → Analysator

verwendet.

Vorteil der In-situ-Messung

Der Messwert steht ohne Verzögerung durch eine lange Messgasleitung oder Gasaufbereitung zur Verfügung.

Gleichzeitig wird der Prozess selbst Teil des optischen Systems

Zwischen Sender und Empfänger befinden sich beispielsweise:

• Messgas,
• Staubpartikel,
• Wasserdampf,
• eventuell kondensierende Bestandteile,
• Spülgasbereiche.

Diese Bedingungen müssen bei Auslegung und Inbetriebnahme berücksichtigt werden.

Was misst ein Diodenlaseranalysator tatsächlich?

Geräte wie der Siemens SITRANS SL und LDS 6 arbeiten mit abstimmbarer Diodenlaser-Spektroskopie.

Grundprinzip

Ein Laser wird über einen charakteristischen Absorptionsbereich der gesuchten Gaskomponente abgestimmt.

Das Gas absorbiert einen Teil der Strahlung bei bestimmten Wellenlängen.

Vereinfacht

Laserlicht ohne Messgas → hohe Transmission

Laserlicht mit absorbierender Gaskomponente → charakteristische Abschwächung

Die Konzentration wird aus der Absorption bestimmt

Dabei sind unter anderem relevant:

• Absorptionslinie,
• optische Weglänge,
• Gastemperatur,
• Gasdruck,
• Gasmatrix.

Selektivität

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass gezielt eine charakteristische Absorptionslinie der jeweiligen Messkomponente ausgewertet werden kann.

Sender und Empfänger als optische Messstrecke

Bei einer Cross-Duct-Messung befinden sich zwei Sensoreinheiten auf gegenüberliegenden Seiten des Prozesskanals.

Sendereinheit

Sie koppelt das Laserlicht in die Messstrecke ein.

Empfängereinheit

Sie erfasst das nach Durchlaufen des Prozessgases verbleibende Licht.

Damit die Messung funktioniert

müssen:

Senderachse

und:

Empfängerachse

möglichst deckungsgleich sein.

Ziel

Die beiden Einheiten bilden eine:

kollineare optische Achse

Warum die optische Ausrichtung entscheidend ist

Eine falsche Ausrichtung reduziert die Lichtleistung am Empfänger.

Im Extremfall

trifft nur ein Teil des Strahls auf die Empfangsoptik.

Folge

Die Transmission sinkt.

Damit verschlechtert sich das Verhältnis zwischen:

Nutzsignal

und:

Störungen / Rauschen

Besonders problematisch

Eine Anlage kann bei sauberer Optik zunächst gerade noch funktionieren.

Kommt später zusätzliche Staubdämpfung hinzu, reicht die verbleibende optische Reserve möglicherweise nicht mehr aus.

Deshalb

Eine möglichst gute mechanische Ausrichtung schafft optische Reserve für reale Prozessbedingungen.

Prozessflansche richtig vorbereiten

Die Qualität der späteren Ausrichtung beginnt bereits bei der mechanischen Installation der Prozessanschlüsse.

Gegenüberliegende Flansche

sollten:

• möglichst exakt aufeinander ausgerichtet sein,
• eine freie Sichtlinie besitzen,
• mechanisch stabil befestigt sein,
• keine unnötigen Versätze aufweisen.

Vor der Sensormontage ausrichten

Eine schlechte Flanschgeometrie lässt sich später durch die Justage der Sensoreinheiten nur begrenzt kompensieren.

Kontaktflächen sauber halten

Schmutz oder Fremdkörper zwischen:

Flansch ↔ Ausrichtmechanik ↔ Sensor

können bereits einen kleinen Winkelversatz verursachen.

Bei längeren Messstrecken besonders kritisch

Ein kleiner Winkel am Sender führt mit zunehmender Entfernung zu einem immer größeren seitlichen Versatz des Laserstrahls.

Thermische Bewegung der Messstelle berücksichtigen

Ein Prozesskanal besitzt im kalten Zustand möglicherweise eine andere Geometrie als im Betrieb.

Beispiel

Bei einem heißen Rauchgaskanal können:

• Kanalwand,
• Flanschstutzen,
• Tragkonstruktion

sich thermisch ausdehnen.

Folge

Sender und Empfänger können sich relativ zueinander bewegen.

Typisches Fehlerbild

Anlage kalt → Transmission gut

Anlage heiß → Transmission deutlich schlechter

Dann sollte geprüft werden

• mechanische Flucht der Messstelle,
• thermische Ausdehnung,
• Stabilität der Flanschbefestigung,
• verbleibende Justagereserve.

Effektive optische Weglänge richtig bestimmen

Bei einer Cross-Duct-Messung ist nicht automatisch die gesamte geometrische Kanalbreite die wirksame Messstrecke.

Warum?

Spülrohre beziehungsweise Spülgasbereiche ragen von beiden Seiten in den Prozess hinein.

Vereinfacht

geometrischer Abstand zwischen den Sensorseiten

ist nicht zwingend gleich:

effektive optische Weglänge im Messgas

Entscheidend ist die Strecke

über die der Laser tatsächlich durch die zu messende Prozessgaskonzentration läuft.

Bei der Inbetriebnahme

muss die effektive Weglänge deshalb entsprechend der konkreten Einbausituation bestimmt und korrekt parametriert werden.

Warum die Weglänge den Messwert beeinflusst

Die Absorption hängt vereinfacht von:

• Konzentration,
• Absorptionsstärke,
• optischer Weglänge

ab.

Vereinfachter Zusammenhang

Absorption ∝ Konzentration × Weglänge

Eine längere Messstrecke

kann daher insbesondere bei kleinen Konzentrationen eine stärkere Absorption erzeugen.

Aber länger ist nicht automatisch besser

Mit der Weglänge steigt gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit beziehungsweise Wirkung von:

• Staubdämpfung,
• Strahlaufweitung,
• mechanischem Versatz,
• Prozessinhomogenität.

Deshalb

Die optimale Messstrecke ist ein Kompromiss zwischen ausreichendem Absorptionssignal und genügend optischer Transmission.

Wie Staub die Messung beeinflusst

Staub ist bei einer In-situ-Lasermessung ein wichtiger Prozessparameter.

Staub kann Laserlicht

• abschwächen,
• streuen,
• teilweise blockieren.

Das bedeutet nicht automatisch eine direkte Gasquerempfindlichkeit

Das Hauptproblem besteht vielmehr darin, dass weniger verwertbares Licht am Empfänger ankommt.

Bei zunehmender Staubbelastung

kann daher die:

Transmission ↓

und gleichzeitig die:

Signalreserve ↓

.

SITRANS SL

Siemens beschreibt für das Gerät eine dynamische Hintergrundkompensation für wechselnde Staubbeladungen.

Aber

Eine Kompensation kann keine beliebig hohe optische Dämpfung ausgleichen.

Wenn nicht mehr genügend Laserlicht den Empfänger erreicht, ist keine zuverlässige Auswertung mehr möglich.

Partikelgröße und Weglänge gemeinsam betrachten

Die Aussage:

Staubkonzentration = x g/Nm³

reicht allein nicht aus, um die optischen Bedingungen vollständig zu bewerten.

Relevant sind außerdem

• Partikelgröße,
• Partikelform,
• optische Eigenschaften,
• Verteilung im Kanal,
• optische Weglänge.

Besonders ungünstig

kann die Kombination sein aus:

hoher Staubbeladung + kleinen Partikeln + langer Messstrecke

Deshalb

sollte bei stark staubbelasteten Prozessen nicht allein anhand eines allgemeinen Staubgrenzwertes ausgewählt werden.

Warum die Optik gespült wird

Die optischen Flächen eines In-situ-Analysators befinden sich unmittelbar an einem Prozessanschluss.

Ohne Schutz

könnten sich dort ablagern:

• Staub,
• Kondensat,
• Aerosole,
• Prozessrückstände.

Spülgas erzeugt einen Schutzbereich

Es strömt vom Sensor beziehungsweise Spülrohr in Richtung Prozess.

Dadurch soll verhindert werden, dass verschmutztes Prozessgas unmittelbar an die optischen Flächen gelangt.

Ziel

saubere Optik → stabile Transmission → stabile Messung

Das richtige Spülgas auswählen

Als Spülmedium kommen je nach Anwendung beispielsweise infrage:

• Instrumentenluft,
• Stickstoff,
• Dampf,
• geeignete Prozessgase.

Entscheidend

Das Spülmedium darf die eigentliche Messung nicht unzulässig beeinflussen.

Beispiel

Soll Sauerstoff gemessen werden und enthält die Spülluft selbst:

ca. 21 Vol% O₂

dann kann diese Luft im optischen Weg eine zusätzliche Sauerstoffabsorption erzeugen.

Deshalb

wird bei entsprechenden Sauerstoffanwendungen ein sauerstofffreies beziehungsweise geeignetes inertes Spülmedium eingesetzt.

Dasselbe Grundprinzip gilt für andere Komponenten

Das Spülgas sollte nicht in relevanter Konzentration genau die Komponente enthalten, die im Prozess bestimmt werden soll.

Besonderheit bei O₂-Messungen

Der Siemens SITRANS SL ist bei ICS als In-situ-O₂-Gasanalysator gelistet.

Bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen

kann bereits Sauerstoff aus der Umgebungsluft innerhalb eines unbeabsichtigten optischen Abschnitts relevant werden.

Deshalb müssen

• Spülmedium,
• Spülbereich,
• effektive Messstrecke,
• Dichtheit beziehungsweise konstruktive Ausführung

zur O₂-Messaufgabe passen.

Für SITRANS-SL-Standardanwendungen

nennt Siemens in den entsprechenden Applikationsdaten Stickstoff als Spülgasmedium.

Spülmenge richtig einstellen

Zu wenig Spülgas kann dazu führen, dass Prozessgas und Staub bis an die Optik gelangen.

Folge

Verschmutzung ↑ → Transmission ↓

Mehr Spülgas ist jedoch nicht unbegrenzt besser

Eine übermäßig starke Spülung kann:

• den vom Prozessgas freien Bereich vergrößern,
• die effektive Messstrecke beeinflussen,
• lokal die Prozessbedingungen verändern,
• den Spülgasverbrauch unnötig erhöhen.

Die richtige Einstellung ist applikationsabhängig

Sie muss beispielsweise auf:

• Prozessdruck,
• Staubbelastung,
• Strömungsgeschwindigkeit,
• Spülrohrgeometrie,
• Spülmedium

abgestimmt werden.

Wie Spülgas die effektive Messstrecke verändert

Die Spülbereiche an Sender und Empfänger gehören nicht vollständig zur eigentlichen Prozessgasmessstrecke.

Vereinfachtes Modell

Sender | Spülzone | Prozessgas | Spülzone | Empfänger

Für die Konzentrationsauswertung relevant

ist hauptsächlich:

Weglänge durch das tatsächliche Messgas

Deshalb muss die effektive Weglänge

zur mechanischen Installation passen.

Fehlerhafte Parametrierung

Wenn beispielsweise eine zu große wirksame Weglänge hinterlegt wird, kann die daraus berechnete Konzentration systematisch falsch sein.

Verschmutzte Fenster und Optiken erkennen

Optische Verschmutzung entwickelt sich häufig schleichend.

Typischer Verlauf

Transmission gut

↓

Transmission sinkt langsam

↓

Signalqualität wird schlechter

↓

Warnung / Messausfall

Mögliche Ursachen

• unzureichende Spülung,
• Ausfall der Spülgasversorgung,
• verstopfte Spülleitung,
• Staubansammlung vor dem Spülrohr,
• Kondensation,
• klebrige Prozessbestandteile.

Wichtig

Die Optik sollte nicht lediglich gereinigt werden, ohne gleichzeitig die Ursache der Verschmutzung zu untersuchen.

Transmission als Diagnosegröße nutzen

Die optische Transmission ist eine der wichtigsten Diagnosegrößen bei einem In-situ-Lasergasanalysator.

Sie beschreibt vereinfacht

wie viel des ausgesandten Laserlichts den Empfänger erreicht.

Sinkende Transmission kann verursacht werden durch

• höhere Staubbeladung,
• Verschmutzung der Optik,
• Fehlausrichtung,
• mechanische Verschiebung,
• Blockierung des Strahlengangs.

Deshalb ist der Trend besonders wertvoll

Ein einzelner Wert liefert weniger Information als:

Transmission über Tage / Wochen / Betriebszustände

Beispiel

Transmission sinkt nur bei Volllast

kann auf einen prozessabhängigen Staubeinfluss hinweisen.

Dagegen

Transmission sinkt kontinuierlich über mehrere Wochen

spricht eher für zunehmende Verschmutzung oder eine langsam fortschreitende mechanische Veränderung.

Schlechte Signalqualität systematisch untersuchen

Bei einer Warnung wegen schlechter Signalqualität sollte nicht sofort von einem Defekt des Analysators ausgegangen werden.

1. Prozesszustand prüfen

Hat sich die Staubbeladung oder Prozessführung geändert?

2. Spülgas prüfen

Sind:

• Druck,
• Durchfluss,
• Medium

korrekt?

3. Optische Flächen prüfen

Sind Fenster beziehungsweise Optiken sauber?

4. Spülrohre prüfen

Haben sich Staub oder Ablagerungen vor den Öffnungen angesammelt?

5. Ausrichtung prüfen

Sind Sender und Empfänger weiterhin korrekt aufeinander ausgerichtet?

6. Temperatureinfluss prüfen

Ändert sich die Transmission mit dem thermischen Zustand der Anlage?

7. Erst danach

sollten elektrische oder elektronische Ursachen näher untersucht werden.

Prozesstemperatur berücksichtigen

Die Gastemperatur beeinflusst die spektroskopische Messung.

Grund

Absorptionslinien verändern sich hinsichtlich:

• Stärke,
• Form,
• Breite

mit den Prozessbedingungen.

Für präzise Auswertung

muss die tatsächliche beziehungsweise repräsentative Prozesstemperatur bekannt sein oder entsprechend berücksichtigt werden.

Zusätzlicher mechanischer Effekt

Hohe Temperaturen können gleichzeitig die Geometrie des Kanals und damit die optische Ausrichtung verändern.

Prozessdruck berücksichtigen

Auch der Prozessdruck beeinflusst die Absorptionslinien.

Bei stark wechselndem Prozessdruck

kann daher eine Druckkompensation beziehungsweise korrekte Prozessdruckinformation erforderlich sein.

Wichtig

Ein optisch perfekt ausgerichteter Analysator kann trotzdem falsche Werte liefern, wenn:

Temperatur- oder Druckbedingungen falsch hinterlegt sind

Kondensation vermeiden

Kondensat auf einer optischen Fläche kann die Transmission erheblich reduzieren.

Besonders kritisch bei

• feuchten Rauchgasen,
• Prozessen nahe dem Taupunkt,
• kalten Flanschstutzen,
• Stillstand und Wiederanfahren.

Eine funktionierende Spülung kann

je nach Ausführung dazu beitragen, die optischen Bereiche frei von kondensierenden Prozessbestandteilen zu halten.

Die thermische Gestaltung des Messpunktes bleibt trotzdem wichtig

Ein dauerhaft kalter Bereich im Flansch kann weiterhin Ablagerungen beziehungsweise Kondensation begünstigen.

Geeigneten Einbauort auswählen

Die Auswahl des Messortes beginnt vor der Montage der Flansche.

Geeignet ist eine Position

an der:

• die Messkomponente repräsentativ verteilt ist,
• Sender und Empfänger mechanisch montiert werden können,
• ausreichend Platz für Ausrichtung und Wartung besteht,
• die Prozessbedingungen innerhalb der Gerätespezifikation liegen.

Zu vermeiden beziehungsweise kritisch zu prüfen sind

• starke lokale Staubansammlungen,
• unmittelbare Bereiche hinter ungünstigen Einbauten,
• starke Schwingungen,
• mechanisch instabile Kanalwände,
• Bereiche mit Kondensatablagerung.

Repräsentative Messung

Da ein Cross-Duct-System über eine Wegstrecke misst, entsteht grundsätzlich eine entlang des optischen Pfades integrierte Information.

Der Messort muss deshalb zur eigentlichen Prozessfragestellung passen.

Inbetriebnahme systematisch durchführen

1. Messaufgabe festlegen: Messkomponente, Messbereich und Prozessfunktion definieren.
2. Prozessdaten erfassen: Temperatur, Druck, Staubbeladung, Feuchte und Gaszusammensetzung dokumentieren.
3. Weglänge bestimmen: Effektive optische Messstrecke aus der realen Einbausituation ermitteln.
4. Messort prüfen: Repräsentativität, Zugänglichkeit und mechanische Stabilität bewerten.
5. Flansche ausrichten: Gegenüberliegende Prozessanschlüsse möglichst präzise auf eine gemeinsame Achse bringen.
6. Spülsystem installieren: Spülmedium und Ausführung entsprechend der Anwendung festlegen.
7. Spülung aktivieren: Optische Flächen bereits während der Inbetriebnahme vor Prozessverschmutzung schützen.
8. Sender und Empfänger montieren: Kontaktflächen sauber halten.
9. Optische Achse justieren: Sender und Empfänger sorgfältig aufeinander ausrichten.
10. Transmission prüfen: Ausreichende optische Signalreserve sicherstellen.
11. Spülgas kontrollieren: Medium, Druck beziehungsweise Durchfluss prüfen.
12. Weglänge parametrieren: Tatsächliche effektive Prozessgasstrecke eintragen.
13. Temperaturdaten prüfen: Prozessgastemperatur korrekt erfassen beziehungsweise hinterlegen.
14. Druckdaten prüfen: Relevanten Prozessdruck berücksichtigen.
15. Messbereich konfigurieren: Zur erwarteten Konzentration passend einstellen.
16. Diagnosewerte dokumentieren: Transmission und Signalqualität im sauberen Ausgangszustand festhalten.
17. Kalt- und Warmzustand vergleichen: Bei heißen Anlagen mögliche thermische Bewegung prüfen.
18. Mehrere Lastzustände testen: Staubeinfluss beziehungsweise Prozessabhängigkeit bewerten.
19. Alarm- und Statusausgänge prüfen: Warnungen und Fehlerzustände im Leitsystem verifizieren.
20. Referenzzustand dokumentieren: Ausgangswerte für spätere Wartung und Fehlersuche festhalten.

Wartung nach Signalzustand statt nur nach Kalender

Ein Vorteil der optischen Diagnose ist, dass Veränderungen häufig erkannt werden können, bevor die Messung vollständig ausfällt.

Sinnvolle Trendgrößen

• Transmission,
• Signalqualität,
• Warnmeldungen,
• Spülgaszustand.

Beispiel

Wenn die Transmission über mehrere Monate langsam sinkt, kann eine Reinigung geplant werden, bevor die untere Signalgrenze erreicht wird.

Das ermöglicht

zustandsorientierte Wartung

statt ausschließlich:

starres Wartungsintervall

Aber

Wartungsintervalle aus Hersteller- oder Betriebsvorgaben bleiben selbstverständlich zu beachten.

Typische Fehler bei In-situ-Lasergasanalysatoren

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Transmission direkt nach Montage zu niedrig	Sender und Empfänger nicht korrekt ausgerichtet	Optische Achse neu justieren
Transmission sinkt langsam über Wochen	Optik verschmutzt	Optische Flächen und Spülung prüfen
Transmission fällt nach Ausfall der Instrumentenluft	Spülung unterbrochen	Spülgasversorgung wiederherstellen und Optik kontrollieren
Transmission verschlechtert sich nur bei hoher Anlagenlast	Steigende Staubbeladung	Prozesszustand und Staubentwicklung vergleichen
Signal wird bei heißer Anlage schlechter	Thermisch verursachte Flanschverschiebung	Ausrichtung im Betriebszustand prüfen
Optik ist sauber, Transmission trotzdem gering	Fehlausrichtung oder optische Blockierung im Kanal	Sichtlinie und Flanschgeometrie prüfen
O₂-Wert ist unerwartet hoch	Ungeeignetes Spülgas beziehungsweise Umgebungsluft im optischen Pfad	Spülmedium und Messweg prüfen
Messwert zeigt konstanten systematischen Versatz	Effektive optische Weglänge falsch parametriert	Mechanische Weglänge und Spülzonen prüfen
Signalqualität schwankt stark	Variable Staubbelastung oder mechanische Bewegung	Transmission mit Prozesszustand vergleichen
Fenster verschmutzen schnell erneut	Spülmenge oder Spülgeometrie ungeeignet	Spülsystem statt nur Optik prüfen
Messwert ändert sich mit Prozessdruck	Druckkompensation beziehungsweise Prozessdaten unzureichend	Druckinformation prüfen
Messwert ändert sich unerwartet mit Gastemperatur	Temperaturinformation beziehungsweise Applikationsparametrierung	Prozesstemperatur und Kompensation kontrollieren

Praxisbeispiel: O₂-Messung im Rauchgaskanal

In einem Verbrennungsprozess soll der Sauerstoffgehalt kontinuierlich gemessen werden.

Ein In-situ-Diodenlaseranalysator ist quer über einem Rauchgaskanal montiert.

Schritt 1: Ausgangszustand

Nach der Inbetriebnahme:

• Transmission hoch,
• Messwert stabil,
• keine Diagnosewarnung.

Schritt 2: Nach mehreren Wochen

Die Transmission sinkt kontinuierlich.

Die Sauerstoffanzeige funktioniert noch, aber die Signalqualität ist schlechter.

Schritt 3: Prozessdaten prüfen

Die Staubbeladung ist gegenüber dem Inbetriebnahmezustand nicht wesentlich verändert.

Schritt 4: Spülung kontrollieren

Am Empfänger ist der Spülgasdurchfluss deutlich geringer.

Schritt 5: Ursache

Eine teilweise blockierte Spülleitung reduziert den Schutz der Prozessoptik.

Staub lagert sich zunehmend auf der optischen Fläche ab.

Schritt 6: Nicht nur reinigen

Die Optik wird gereinigt.

Zusätzlich wird:

• die Spülleitung gereinigt,
• der Spülgasstrom wiederhergestellt,
• die optische Ausrichtung geprüft.

Schritt 7: Transmission vergleichen

Nach der Wartung erreicht die Transmission wieder annähernd den dokumentierten Ausgangswert.

Schritt 8: Weglänge und Spülmedium prüfen

Da Sauerstoff gemessen wird, wird zusätzlich kontrolliert, dass:

• das vorgesehene Spülmedium verwendet wird,
• die effektive Prozessgas-Weglänge korrekt hinterlegt ist.

Ergebnis

Die Ursache der verschlechterten Messung war nicht der Analysator selbst, sondern das Zusammenspiel aus Spülung und optischer Verschmutzung. Die Transmission diente dabei als entscheidende Diagnosegröße.

Passende ICS-Produkte für die In-situ-Gasanalytik

Siemens SITRANS SL – Diodenlaser-Gasanalysengerät

Für die direkte Sauerstoffmessung im Prozess führt ICS den:

Siemens SITRANS SL

Messprinzip

Der SITRANS SL arbeitet als In-situ-Diodenlaser-Gasanalysator mit:

Transmitter + Empfänger

auf gegenüberliegenden Seiten der Messstrecke.

Messkomponente

ICS nennt:

O₂

Messbereiche

ICS nennt als:

kleinsten Messbereich: O₂ 0 … 1 Vol%

und als:

größten Messbereich: 0 … 100 Vol%

Typische Anwendungen

ICS nennt unter anderem:

• Prozessüberwachung und Prozesssteuerung,
• Prozessoptimierung,
• Sicherheitsüberwachung von Sauerstoffkonzentrationen,
• Verbrennungsregelung,
• Anwendungen in Energie- und Verbrennungsanlagen.

Für dieses Thema besonders relevant

Die Siemens-Dokumentation des SITRANS SL beschreibt unter anderem:

• Überwachung der gesamten optischen Signalübertragung,
• dynamische Hintergrundkompensation bei wechselnder Staubbeladung,
• Warnung bei schlechter Signalqualität,
• Warnung bei zu niedriger beziehungsweise zu hoher Transmission.

Effektive optische Weglänge

Für die beschriebenen Standardanwendungen nennt Siemens:

0,3 … 8 m

Wichtig

Die konkrete Eignung hängt von der Anwendung ab.

Insbesondere:

• Staubbeladung,
• Partikelgröße,
• Weglänge,
• Temperatur,
• Druck,
• Gasmatrix

beeinflussen die erreichbare Messperformance.

Weitere Informationen finden Sie unter Siemens SITRANS SL bei ICS Schneider.

Siemens LDS 6 – Laser-Dioden-Gasanalysator

Für weitere In-situ-Anwendungen führt ICS außerdem den:

Siemens LDS 6

Systemaufbau

Der LDS 6 besteht aus:

• einer zentralen Analysatoreinheit,
• bis zu drei In-situ-Messstellen,
• Sensoren beziehungsweise Sender-/Empfängereinheiten,
• Hybrid- und Sensorverbindungskabeln.

ICS nennt als messbare Komponenten

• O₂,
• NH₃,
• HF,
• H₂O,
• CO₂,
• CO,
• HCl.

Maximale Anzahl der Komponenten

ICS nennt:

2

Vorteil der In-situ-Messung

Die Messung erfolgt direkt im Prozess und benötigt für die eigentliche Messung keine klassische Messgasentnahme mit langer Transportstrecke.

Typische Anwendungen laut ICS

• Emissionsüberwachung,
• DeNOx-Optimierung durch NH₃-Schlupfmessung,
• Verbrennungsregelung,
• Überwachung von Sauerstoffkonzentrationen,
• Feuchteüberwachung in korrosiven Gasgemischen.

Spülung und Ausrichtung

Beim LDS 6 sind die Schutzspülung der Optik und die korrekte Ausrichtung von Sender und Empfänger wesentliche Bestandteile der Installation.

Je nach Applikation können unterschiedliche geeignete Spülmedien beziehungsweise Spülkonfigurationen erforderlich sein.

Weitere Informationen finden Sie unter Siemens LDS 6 bei ICS Schneider.

Welche Lösung passt?

Anwendung	Passende ICS-Lösung
Direkte kontinuierliche O₂-Messung im Prozess	Siemens SITRANS SL prüfen
O₂-Messung in Verbrennungsprozessen	Siemens SITRANS SL
NH₃-Schlupf hinter DeNOx-Systemen	Siemens LDS 6 entsprechend Applikation prüfen
In-situ-Messung von H₂O, CO, CO₂, HF oder HCl	Siemens LDS 6 entsprechend Applikation prüfen
Mehrere In-situ-Messstellen an einer zentralen Analysatoreinheit	Siemens LDS 6
Stark staubbelastete Anwendung	Weglänge, Partikelgröße, Spülkonzept und konkrete Geräteausführung applikationsbezogen prüfen
O₂-Messung mit Spülung	Geeignetes sauerstofffreies Spülmedium und effektive Weglänge berücksichtigen

Eine Übersicht finden Sie unter In-situ kontinuierliche Prozess-Gasanalytik bei ICS Schneider.

Fazit

Die Zuverlässigkeit eines In-situ-Diodenlaser-Gasanalysators hängt nicht allein von der Qualität des Analysators ab.

Die komplette Messkette besteht aus:

Sender + Optik + Spülung + Prozessgas + optische Wegstrecke + Empfänger + Prozessdaten

Die Ausrichtung schafft die optische Grundlage

Sender und Empfänger müssen möglichst präzise aufeinander ausgerichtet sein.

Je länger die Messstrecke, desto stärker wirken sich kleine Winkelfehler aus.

Staub reduziert die Signalreserve

Staubpartikel können das Laserlicht streuen und abschwächen.

Besonders kritisch ist die Kombination aus:

hoher Staubbeladung + kleinen Partikeln + langer Wegstrecke

Spülgas schützt die Optik

Eine geeignete Spülung reduziert:

• Staubablagerungen,
• Kondensation,
• Verschmutzung der optischen Flächen.

Das Spülgas ist aber selbst Teil des Messsystems

Es beeinflusst die:

• effektive optische Weglänge,
• Gaszusammensetzung im Randbereich der Messstrecke.

Besonders bei Sauerstoff

darf Umgebungsluft nicht unkontrolliert in einen relevanten Abschnitt des Laserwegs gelangen.

Die Transmission ist eine wichtige Diagnosegröße

Eine sinkende Transmission kann frühzeitig auf:

• Verschmutzung,
• unzureichende Spülung,
• Staubzunahme,
• Fehlausrichtung

hinweisen.

Für die Praxis gilt deshalb

Messkomponente bestimmen → Prozessdaten erfassen → Einbauort auswählen → effektive Weglänge bestimmen → Flansche präzise ausrichten → geeignetes Spülmedium festlegen → Spülung vor Sensormontage beziehungsweise Prozessbetrieb sicherstellen → Sender und Empfänger montieren → optische Achse exakt justieren → Transmission dokumentieren → Weglänge korrekt parametrieren → Temperatur und Druck berücksichtigen → Betrieb bei unterschiedlichen Lastzuständen prüfen → Transmission und Signalqualität trendmäßig überwachen → bei Verschlechterung zuerst Staub, Spülung, Optik und Ausrichtung prüfen → erst danach einen Gerätefehler vermuten.

FAQ: In-situ-Gasanalysator richtig installieren und ausrichten

Was ist ein In-situ-Gasanalysator?

Ein In-situ-Gasanalysator misst die Gaszusammensetzung direkt im Prozess, ohne dass das Messgas zunächst über eine klassische Probenahmeleitung zum Analysator transportiert werden muss.

Was bedeutet Cross-Duct-Messung?

Sender und Empfänger befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten eines Prozesskanals und der Laserstrahl durchquert das Prozessgas.

Warum müssen Sender und Empfänger ausgerichtet werden?

Damit möglichst viel des ausgesandten Laserlichts die Empfangsoptik erreicht und ausreichende optische Signalreserve vorhanden ist.

Was passiert bei schlechter Ausrichtung?

Die Transmission und damit die verfügbare Signalqualität können sinken.

Wie genau müssen die Flansche ausgerichtet werden?

Sie sollten innerhalb der Herstellervorgaben möglichst exakt aufeinander ausgerichtet werden. Die konkret zulässige Abweichung hängt von Gerät, Flansch- und Spülrohrausführung sowie Messstrecke ab.

Warum sollte die Ausrichtung bereits bei den Prozessflanschen beginnen?

Weil eine starke mechanische Fehlstellung der Prozessanschlüsse später nur begrenzt über die Sensorjustage kompensiert werden kann.

Kann sich die Ausrichtung im Betrieb verändern?

Ja. Thermische Ausdehnung, Schwingungen oder mechanische Bewegungen können die relative Position von Sender und Empfänger verändern.

Warum ist die Ausrichtung bei langen Messstrecken kritischer?

Ein kleiner Winkelversatz erzeugt mit zunehmender Distanz einen größeren seitlichen Strahlversatz.

Was bedeutet optische Weglänge?

Sie beschreibt die Strecke, über die der Laserstrahl durch das relevante Messgas läuft.

Ist die optische Weglänge gleich der Kanalbreite?

Nicht zwangsläufig. Spülrohre beziehungsweise Spülgaszonen können die effektive Prozessgas-Messstrecke verkürzen.

Warum muss die effektive Weglänge korrekt angegeben werden?

Weil die gemessene Absorption von der Konzentration und der durchlaufenen Weglänge abhängt.

Was passiert bei falsch parametrierter Weglänge?

Die daraus berechnete Gaskonzentration kann einen systematischen Fehler aufweisen.

Ist eine längere Messstrecke immer besser?

Nein. Sie kann zwar die Absorption schwacher Konzentrationen erhöhen, gleichzeitig aber die optische Dämpfung durch Staub und die Empfindlichkeit gegenüber mechanischem Versatz vergrößern.

Wie beeinflusst Staub einen Lasergasanalysator?

Staub kann Laserlicht streuen und abschwächen, sodass weniger verwertbare Strahlung am Empfänger ankommt.

Verursacht Staub automatisch eine Gasquerempfindlichkeit?

Nicht im selben Sinne wie eine überlagernde Gasabsorptionslinie. Häufig ist das Hauptproblem die optische Dämpfung beziehungsweise Verschlechterung der Signalqualität.

Kann ein Diodenlaseranalysator bei Staub eingesetzt werden?

Ja, abhängig von Gerät, Messstrecke, Partikelgröße und Staubkonzentration. Die konkrete Applikation muss innerhalb der spezifizierten optischen Bedingungen liegen.

Warum ist die Partikelgröße wichtig?

Die Lichtstreuung und Dämpfung hängt nicht nur von der Staubmasse, sondern auch von den Eigenschaften und der Größe der Partikel ab.

Was bedeutet Transmission?

Sie beschreibt vereinfacht den Anteil des ausgesandten Laserlichts, der nach Durchlaufen der Messstrecke am Empfänger verfügbar ist.

Was bedeutet sinkende Transmission?

Mögliche Ursachen sind zunehmende Staubbelastung, verschmutzte Optik, Fehlausrichtung oder eine teilweise Blockierung des Strahlengangs.

Kann die Transmission als Wartungsindikator verwendet werden?

Ja. Insbesondere der zeitliche Trend kann Hinweise auf zunehmende Verschmutzung oder andere Veränderungen der optischen Messstrecke geben.

Warum wird ein In-situ-Gasanalysator gespült?

Die Spülung schützt die optischen Flächen vor Staub, Kondensat und anderen Prozessablagerungen.

Welche Spülgase können verwendet werden?

Je nach Geräteausführung und Anwendung kommen beispielsweise Instrumentenluft, Stickstoff, Dampf oder geeignete Prozessgase infrage.

Kann ich immer Instrumentenluft verwenden?

Nein. Wenn die zu messende Komponente in der Luft enthalten ist, kann sie den optischen Messweg beeinflussen. Das gilt insbesondere für empfindliche O₂-Messungen.

Welches Spülgas ist bei Sauerstoffmessungen geeignet?

Bei entsprechenden O₂-Applikationen wird ein geeignetes sauerstofffreies Spülmedium verwendet. In den Standardapplikationen des SITRANS SL nennt Siemens beispielsweise Stickstoff.

Kann zu wenig Spülgas problematisch sein?

Ja. Prozessgas und Staub können dann näher an die optischen Flächen gelangen und dort Ablagerungen verursachen.

Kann zu viel Spülgas problematisch sein?

Eine übermäßige Spülung kann die effektive Prozessgasstrecke verändern und unnötig viel Spülmedium verbrauchen. Die Einstellung muss daher zur Anwendung passen.

Was passiert bei Ausfall der Spülluft?

Die Optik kann je nach Prozess innerhalb relativ kurzer Zeit verschmutzen. Der Spülzustand sollte deshalb bei kritischen Anwendungen überwacht werden.

Warum verschmutzt die Optik trotz Spülluft?

Mögliche Ursachen sind zu geringer Durchfluss, falsche Spülgeometrie, hoher Prozessgegendruck, Ablagerungen vor dem Spülrohr oder besonders haftende Prozessbestandteile.

Warum sind Kondensate problematisch?

Ein Flüssigkeitsfilm oder Tropfen auf der Optik können die Laserstrahlung stark abschwächen oder streuen.

Warum beeinflusst die Gastemperatur die Messung?

Temperatur beeinflusst die Form und Stärke der molekularen Absorptionslinien und muss daher bei der spektroskopischen Auswertung berücksichtigt werden.

Warum beeinflusst der Druck die Messung?

Der Gasdruck beeinflusst ebenfalls die Absorptionslinien und damit die spektroskopische Auswertung.

Was sollte ich bei schlechter Signalqualität zuerst prüfen?

Zunächst Prozesszustand, Staubbeladung, Spülversorgung, optische Verschmutzung und Ausrichtung überprüfen.

Muss ein niedriger Transmissionswert einen Defekt bedeuten?

Nein. Sehr häufig liegt die Ursache außerhalb der eigentlichen Elektronik, beispielsweise bei Staub, Optik, Spülung oder mechanischer Ausrichtung.

Was ist der Siemens SITRANS SL?

Der SITRANS SL ist ein bei ICS gelisteter In-situ-Diodenlaser-Gasanalysator für die kontinuierliche O₂-Messung.

Welche Messbereiche nennt ICS für den SITRANS SL?

ICS nennt als kleinsten Messbereich 0 … 1 Vol% O₂ und als größten Messbereich 0 … 100 Vol% O₂.

Welche optische Weglänge nennt Siemens für SITRANS-SL-Standardanwendungen?

Für die entsprechenden Standardanwendungen wird eine effektive optische Weglänge von 0,3 … 8 m angegeben.

Kann SITRANS SL bei Staub eingesetzt werden?

Ja. Siemens beschreibt unter anderem eine dynamische Hintergrundkompensation bei wechselnder Staubbeladung. Die tatsächliche Eignung hängt jedoch stark von Staubkonzentration, Partikelgröße und optischer Weglänge ab.

Überwacht SITRANS SL die Signalqualität?

Ja. Siemens beschreibt eine Überwachung der optischen Signalübertragung und entsprechende Warn- beziehungsweise Fehlermeldungen bei schlechter Signalqualität oder unzulässiger Transmission.

Was ist der Siemens LDS 6?

Der LDS 6 ist ein bei ICS gelisteter Diodenlaser-Gasanalysator für verschiedene In-situ-Prozessmessungen.

Welche Gase kann der LDS 6 laut ICS messen?

ICS nennt O₂, NH₃, HF, H₂O, CO₂, CO und HCl.

Wie viele Messstellen kann der LDS 6 bedienen?

ICS beschreibt eine zentrale Einheit, die mit bis zu drei In-situ-Messstellen verbunden werden kann.

Welche typischen Anwendungen hat der LDS 6?

Beispiele sind Emissionsüberwachung, Verbrennungsoptimierung, NH₃-Schlupfmessung, Sauerstoffüberwachung und Feuchtemessung in Prozessgasen.

Ist eine In-situ-Messung wartungsfrei?

Nein. Zwar entfallen viele Komponenten einer klassischen Messgasaufbereitung, die optische Messstrecke, Spülung und mechanische Ausrichtung müssen jedoch weiterhin überwacht und gewartet werden.

Benötigt ein In-situ-Analysator eine Messgasaufbereitung?

Für die direkte Cross-Duct-Messung wird das Prozessgas grundsätzlich im Prozess gemessen. Je nach konkreter Applikation können dennoch besondere Maßnahmen oder alternative Messanordnungen erforderlich sein.

Was sollte bei der Inbetriebnahme dokumentiert werden?

Unter anderem Messstelle, effektive Weglänge, Ausrichtung, Spülmedium, Spülzustand, Prozessdruck, Prozesstemperatur, Transmission und Ausgangszustand der Signaldiagnose.

Wo finde ich den SITRANS SL bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter Siemens SITRANS SL bei ICS Schneider.

Wo finde ich den LDS 6 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter Siemens LDS 6 bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere In-situ-Gasanalysatoren bei ICS Schneider?

Eine Übersicht finden Sie unter In-situ kontinuierliche Prozess-Gasanalytik bei ICS Schneider.