ZrO₂-Messsonden für die Sauerstoffmessung in Rauchgasen

Hochtemperatursonde AMS 3211-700 (links), elektr. Kontrolleinheit AMS 3220 in Ex-Ausführung.

Übersicht

Technische Beschreibung der Messsysteme
ZrO₂-Messsonden für die Sauerstoffmessung in Rauchgasen
Anwendungsbereiche
Systemmerkmale
Systemaufbau

Die Messsonden
Standard-Sonde AMS 3211-500
Hochtemperatursonde AMS 3211-700, bis 1100°C
Hochtemperatursonde AMS 3211-600, bis 1750°C
Ex-Sonde, bis 400°C
Ex-Sonde für hohe Temperaturen, bis 1100°C
Rückstandsfreie Verbrennungsprozesse: Messsonde AMS 3211-500L
Abgasleitungen mit kleinen Durchmessern: AMS-Einschraubsonde

Die Systemkomponenten
Pneumatikeinheit und automatische Kalibrierung
Elektronische Kontrolleinheit AMS 3220
Erweiterte Einsatzbereiche der AMS ZrO2-Messsonden mit der elektr. Kontrolleinheit AMS 3220

Technische Daten
Messsonden
Aufbau der Systeme
Elektronische Kontrolleinheit AMS 3220

Produktblatt
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ZrO₂-Messsonden für die Sauerstoffmessung in Rauchgasen
Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von ZrO₂-Messsonden für die Sauerstoffmessung verlangen die Anpassung dieses Messsystems an unterschiedliche Prozessbedingungen wie Temperatur, Aggressivität des Rauchgases und ggf. Ex-Bereich. Eine kurze Reaktionszeit und lange Lebensdauer des Sensors sind weitere primäre Kundenwünsche. Aber auch Bedienungsfreundlichkeit, Zuverlässigkeit und einfache Wartung des Analysensystems sollen im Systemkonzept berücksichtigt sein. Die zwanzigjährige Erfahrung in der Systemtechnik ermöglicht es der AMS Analysen-, Mess- und Systemtechnik, ZrO₂-Meßsysteme mit diesen Eigenschaften und einem dennoch attraktiven Preis anzubieten.

Die Europäische Richtlinie 2000/76/EG regelt den Betrieb von Müllverbrennungsanlagen. Sie fordert für die Zulassung von Mess- und Analysengeräten einen Nachweis der mit diesen Geräten nachhaltig und gesicherte erreichbaren Mess-Qualität.
TÜV Rheinland (Köln) hat hierfür die Eignungsprüfung Nr. 936/807023/A ausgestellt.

Anwendungsbereiche
Die Sauerstoff-Messeinrichtungen mit der ZrO₂-Messsonde sind für die Bestimmung des Sauer-stoffgehaltes in Rauchgasen von Verbrennungsanlagen oder in Inertgasen vorgesehen, bei Temperaturen bis zu 1750°C. Die Messung erfolgt direkt (in-situ), d.h. die Messzelle befindet sich entweder im Rauch-gaskanal oder außen an der Kaminwand, so daß die Messgasentnahme und -aufbereitung entfallen können. Speziellen Anforderungen stehen angepasste Sonden zur Verfügung: BVS-ATEX-geprüfte Sonden für die Ex-Zonen 1 und 2, aber auch kostengünstige Lösungen für Erdgasheizungen oder für Abgasleitungen mit kleinen Durchmessern.

Systemmerkmale

• Spezieller AMS-Sensor für Rauchgas-Anwendungen, einfach austauschbar durch den Betreiber
• Eignungsprüfung für 13. und 17.BImSchV sowie für TA-Luft
• Sondenteile aus Edelstahl, Sonderwerkstoffe sind möglich
• Messsondenlängen von 150 mm bis 3000 mm lieferbar
• Gastemperaturen bis 1750°C
• TÜV-Zulassung nach Europäischer Richtlinie 2000/76/EG für Müllverbrennungsanlagen
• EEx-ATEX-zugelassene Sonden für Zone 1 und Zone 2
• EEx-ATEX-zugelassene Hochtemperatursonde (1100°C) für Zone 2
• Elektr. Kontrolleinheit:
  Selbstüberwachung mit Rückmeldung
  Automatische Kalibrierung
  Plausibilitätskontrolle der Korrekturgrößen
  

Zertifikate Müllverbrennung und ATEX

Systemaufbau
Das Sauerstoffmesssystem besteht aus der ZrO₂-Sonde mit geregelter Heizung für die Messzelle, der elektr. Kontrolleinheit sowie der Pneumatikeinheit für die Luftversorgung. Das Messverfahren beruht auf der galvanischen Sauerstoffkonzentrationszelle mit Festelektrolyt. Für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche werden sieben verschiedene Sondentypen angeboten. Die elektr. Kontrolleinheit ist für alle Sonden gleich, sie kann separat installiert, aber auch im Gehäuse der Pneumatikeinheit untergebracht werden.

Standard-Sonde AMS 3211-500
Die Sonde AMS 3211-500 für Rauchgastemperaturen bis zu 500°C (kurzzeitig bis zu 600°C) wird in drei Standardlängen (500 mm, 1000 mm, 1500 mm) aus Edelstahl gefertigt; andere Längen (150 mm bis 3000 mm) sind möglich. Ebenso kann die Lieferung in Sonderwerkstoffen wie INCONEL oder Hastelloy C erfolgen.
Der ZrO₂-Sensor befindet sich an der Spitze der Sonde direkt im Rauchgaskanal. Der hier, wie bei den anderen Sonden, verwendete spezielle AMS-Sensor hat eine Lebensdauer von mehr als zwei Jahren aufgrund der niedrigen Arbeitstemperatur von unter 600°C.
Der Austausch des O₂-Meßfühlers kann sehr leicht erfolgen: Es sind hierzu nur 2x4 Schrauben zu lösen.
Die 6 mm Swagelok-Anschlüsse für Kalibriergas und Referenzluft befinden sich am Montageflansch der Sonde.

Hochtemperatursonde AMS 3211-700, bis 1100°C
Diese halb-extraktive Hochtemperatursonde hat, neben der höheren Rauchgastemperatur, eine Reihe von weiteren Vorteilen für den Betreiber:

• eine Pumpe ist nicht mehr notwendig
• weder Treiberluft noch Vergleichsluft müssen zur Sonde geführt werden die Lebensdauer des Sensors ist deutlich erhöht

Und so funktioniert es: Die Messgasströmung durch eine Venturi-Düse am Kopf der Sonde erzeugt im inneren Rohr der Sonde einen Unterdruck, der zum Ansaugen des Rauchgases durch Löcher in der Bodenplatte des äußeren Rohres genutzt wird; auf die Luftstrahl-Pumpe kann verzichtet werden.
Da der Sensor außerhalb des Kamins im Montageflansch eingebaut wird, ist seine thermische Belastung und folglich seine Alterung sehr gering.

Hochtemperatursonde AMS 3211-600, bis 1750°C
Die halb-extraktive Sonde AMS 3211-600 kann bei Temperaturen bis zu 1750°C eingesetzt werden unter Verwendung eines Entnahmerohres aus Keramik und bei vertikaler Einbaulage. Ist die Rauchgastemperatur nur maximal 900°C, kann die Einbaulage beliebig sein, allerdings müssen dann spezielle Werkstoffe verwendet werden. Die Standardlänge der Sonde ist 1000 mm, andere Längen (150 mm bis 1000 mm) sind lieferbar. Der Messfühler befindet sich im Montageflansch der Sonde. Das Messgas wird mit Hilfe eines im Flansch integrierten Ejektors am Sensor vorbei und in den Prozess zurückgeführt: Taupunktunterschreitungen und damit verbundene Verstopfungen des Messsystems werden verhindert.

Ex-Sonden, bis 400°C
Die Ex-Sonden sind druckfest gekapselt, mit einer Flammensperre zum Druckausgleich. Sie sind zugelassen für explosionsgefährdete Bereiche (Zone 1und Zone 2) bei Oberflächentemperaturen bis zu 160°C (T3).
Die Einbaulängen können zwischen 150 mm und 860 mm liegen. Die Rauchgastemperatur kann bis zu 400°C betragen, kurzzeitig bis 500°C.

Ex-Sonden für hohe Temperaturen, bis 1100°C
Diese Sonder-Variante verbindet die Eigenschaften der Ex-Sonde mit den Möglichkeiten der halb-extraktiven Hochtemperatur-Sonde 3211-600. Rauchgastemperaturen bis zu 1100°C und die Möglichkeit des Einsatzes in der Zone 2 (ATEX 3G) kennzeichnen die besondere Leistungsfähigkeit dieser Konstruktion.
Einbaulängen bis zu 1000 mm sind lieferbar.

Rückstandsfreie Verbrennungsprozesse: Messsonde AMS 3211-500L
Fallen bei dem Verbrennungsprozess keine Rückstände an, wie z.B. bei Erdgasheizungen, empfehlen wir die Verwendung unserer, speziell für diese Messungen konstruierten, Messsonde AMS 3211-500L.
Bei dieser Sonde wird Umgebungsluft als Referenzluft verwendet. Ist im Abgaskanal ein Unterdruck vorhanden, so strömt über ein Kapillarrohr im Sensor kontinuierlich Umgebungsluft an der Vergleichsseite vorbei in den Kamin.
Die Sonde wird mit einem Anschlußflansch DN65 PN6 und Einbaulängen von bis zu 500 mm geliefert, ihr Gewicht beträgt ca. 3 kg. Die übrigen technischen Daten entsprechen denen der Sonde AMS 3211-500.

Abgasleitungen mit kleinen Durchmessern: AMS-Einschraubsonde
Dieser ZrO₂-Sensor wird mit dem Gewindeflansch M40x2 direkt am Abgasrohr befestigt, eine Sintermetallfritte schützt ihn, wie alle anderen AMS-Sonden, vor Staubpartikeln aus dem Abgas. Sein Gewicht beträgt nur 450 Gramm.
Die Rauchgastemperatur darf maximal 450°C betragen, der Kamindurchmesser etwa 100 mm bis 250 mm. Referenzluft ist die Umgebungsluft. Auf Wunsch ist ein Anschluß für Kalibriergas lieferbar.

Pneumatikeinheit und automatische Kalibrierung
Die ZrO₂-Sonden benötigen im Betrieb ein Referenzgas, sowie zu ihrer Kalibrierung Prüfgase. Die hierzu notwendige Verrohrung mit Druckregler (oder Membranpumpe), Filter, Umschaltventilen und Durchflussmesser ist in einem Schaltschrank montiert, die Gasanschlüsse sind als 6 mm Schottverschraubungen ausgeführt. Die elektrischen Anschlüsse sind ebenfalls dort auf Klemmen gelegt. Als Referenzgas kann Umgebungsluft oder Instrumentenluft verwendet werden. In Verbindung mit der elektr. Kontrolleinheit AMS 3220 ergibt sich die Möglichkeit der automatischen Kalibrierung aller AMS ZrO₂-Messsonden in vorwählbaren Zeitabständen.
Alternativ zum getrennten Aufbau von Pneumatikeinheit und elektr. Kontrolleinheit können beide Systeme auch in einem gemeinsamen Schaltschrank installiert geliefert werden.
Alternativ zum getrennten Aufbau von Auswerteelektronik und Pneumatikeinheit können beide Systeme auch in einem gemeinsamen Schaltschrank installiert geliefert werden.

Elektronische Kontrolleinheit AMS 3220
Die Elektronikbaugruppe AMS 3220 ist die Versorgungs-, Steuer- und Auswerteeinheit für alle AMS ZrO₂-Sonden. Sie ist eignungsgeprüft für die13. und 17.BImschV und die TA-Luft. Mehrere Gehäusevarianten sind lieferbar, auch für den Einsatz in der Ex-Zone 1.
Der Messbereich für Rauchgasanwendungen ist 0,1 Vol-% bis 25 Vol-% Sauerstoff und frei parametrierbar durch den Betreiber.
Für Prozessanwendungen sind Meßbereiche zwischen 1 ppm und 100 Vol-% O₂ möglich, die Kalibriergrenzen werden dabei im E-Prom der Elektronik entsprechend festgelegt. Die Parametrierung des Meßsystems und seine Bedienung erfolgen mit einer Funktions- und zwei Cursortasten, ein zweizeiliges Display zeigt den Meßwert, die Eingabewerte bzw. die Bedienschritte im Klartext an. Die Parametrierebene ist nur über einen speziellen Servicemodus ist zugänglich.
Die Selbstüberwachung des Systems mit entsprechender Fehlermeldung am Display reduziert den Kontrollaufwand durch das Wartenpersonal erheblich.
Die Kalibrierpunkte und auch die Zuordnung der gewünschten Messbereichsgrenzen zu den Stromausgängen 0/4 - 20 mA können bequem an der Elektronikbaugruppe eingegeben werden.
Besonders wichtig für die Zuverlässigkeit der O₂-Messung ist natürlich die Erkennung und Meldung von Fehlern während der Kalibrierung:
Die Stabilität des Meßsignals während der Kalibrierung und die Plausibilität der ermittelten Korrekturgrößen werden von der Auswerteelektronik kontinuierlich geprüft.

Erweiterte Einsatzbereiche der AMS ZrO2-Messsonden mit der elektr. Kontrolleinheit AMS 3220
Die elektr. Kontrolleinheit AMS 3220 ist das Nachfolgemodell der Auswerteeinheit AMS 3211, deren bewährte Eigenschaften um eine Reihe von zusätzlichen Funktionen erweitert wurde:

• TÜV Eignungsprüfung für 13. BImSchV, 17. BImSchV und TA-Luft (Bericht des TÜV Rheinland/Berlin-Brandenburg 936/807023/A v. 14-08-2000).
• TÜV-Zulassung nach Europäischer Richtlinie 2000/76/EG für Müllverbrennungsanlagen
• Automatische Kalibrierung aller AMS-Sonden in vorwählbaren Zeitabständen in Verbindung mit der Pneumatik-Einheit.
• Installation unserer Ex-Sonde AMS 3210/150 und der Elektronik AMS 3220 (in einem EEx-d-Gehäuse) in den Ex-Zonen 1 und 2.
• Das Wandgehäuse jetzt auch für die Schutzart IP 65 und in Ganzmetallausführung mit wesentlich verbesserter Wärmeableitung.
• Galvanische Trennung sowohl des Signaleinganges als auch der Heizung des Sensors, um Fremdspannungen fern zu halten.
• Zwei galvanisch getrennte Signalausgänge 0/4..20 mA als Standard.
• Serielle Schnittstelle RS232 als Standard.
• Verbesserter A/D-Wandler mit hoher Auflösung für durchgehende Sauerstoffmessungen, kontinuierlich von über 25 Vol-% bis weniger als 1 ppm.

Technische Daten
Messsonden
Aufbau der Systeme
Elektronische Kontrolleinheit AMS 3220

(C) AMS GmbH 7.3/2005 Technische Änderungen vorbehalten.   Text, Zeichnungen und Layout: Analytic Journal