AT522216A1 - Analysieren von Gas mittels Raman-Spektroskopie - Google Patents
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Abstract
Zum Analysieren von Gas werden ein Laserlicht (7) erzeugt und das Gas in eine Faser (2) eingeführt. Das Laserlicht (7) wird in die Faser (2) eingekoppelt, um mit dem Laserlicht (7) das Gas anzuregen, so dass Streulicht (8) von dem Gas emittiert wird. Das Streulicht (8) wird von der Faser (2) zu Auswertemitteln (1, 16) geführt und hinsichtlich mindestens einem von seiner Frequenzanteile, von seiner Intensität der Frequenzanteile und von seiner Polarität der Frequenzanteile ausgewertet, um abhängig von dem mindestens einen von seinen Frequenzanteilen, von seiner Intensität der Frequenzanteile und von seiner Polarität der Frequenzanteile das Gas zu analysieren. Dabei ist die Faser (2) in einem Rohr (3) eingebettet, welches einen inneren Gasdruck (pR) aufweist, welcher einem inneren Gasdruck (pF) der Faser (2) entspricht. Dabei ist der innere Gasdruck (pF) der Faser (2) höher als ein maximal möglicher innerer Gasdruck der Faser (2), welcher durch eine Festigkeit oder eine optische Eigenschaft der Faser (2) definiert ist, wenn die Faser (2) nicht in das Rohr (3) eingebettet ist.
Description
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Analysieren von Gas mittels Raman-Spektroskopie
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Analyse von Gas und Gasgemischen, beispielsweise zur Messung von Prozessgasen oder Emissionsgasen sowie gelösten Gasen
aus ölisolierten Hochspannungsanlagen, mit Hilfe der Raman-Spektroskopie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Raman-Technologie wird in der analytischen Messtechnik in der Regel für die Flüssigkeits- und Feststoffanalyse eingesetzt, um die chemische Struktur einer Messgröße zu analysieren und zu quantifizieren. Dabei wird nur eine geringe Probenmenge ben6ö-
tigt, welche darüber hinaus in den meisten Fällen weder zerstört noch verändert wird.
Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Materie mit monochromatischem Licht bestrahlt. Im Spektrum des an der zu untersuchenden Materie gestreuten Lichts werden neben den eingestrahlten Frequenzen noch weitere Frequenzen beobachtet. Die Frequenzunterschiede zum eingestrahlten Licht entsprechen dabei den für die zu untersuchende Materie charakteristischen Energien von Rotations-, Schwingungs-, Phonon- oder Spin-Flip-Prozessen. Anhand des Spektrums des gestreuten
Lichts können somit Rückschlüsse auf die zu untersuchende Materie gezogen werden.
Die Ursache für diese Rückschlussmöglichkeit liegt in einer Wechselwirkung des Lichts mit der Materie, was auch als Raman-Effekt bezeichnet wird, bei welchem Energie vom Licht auf die Materie bzw. Energie von der Materie auf das Licht übertragen wird. Da die Wellenlänge des Lichts, d.h. seine Farbe, von der Energie des Lichts abhängt, bewirkt dieser Energieübertrag eine Verschiebung der Wellenlänge des gestreuten Lichts gegenüber dem eingestrahlten Licht, was auch als Raman-Verschie-
bung bekannt ist und in Rayleight-, Stokes- und Anti-Stokes-Streulicht unterteil wird.
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Zur Analyse oder Messung von Gas wird die Raman-Technologie selten verwendet, da die Intensität des Raman-Effekts (d.h. die Intensität des dabei erzeugten Streulichts) gering ist. Durch das charakteristische Streulicht der einzelnen Gase können alle Gase außer Edelgase gemessen und/oder analysiert werden, wie zum Beispiel H2, O2, N2 CH4, C2H6 C2H4, C2H2, SFe. Außerdem ist eine Identifikation der Gase in
einem Gasgemisch möglich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Intensität des Raman-Ef-
fekts bei der Messung und/oder Analyse von Gas zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Analysieren von Gas nach Anspruch 1, durch ein Prüfsystem nach Anspruch 11 und durch ein Verfahren zum Analysieren von Gas nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin-
dung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Analysieren von Gas bereitgestellt. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle, Fasermittel, Koppelmittel, Auswertemittel und Führungsmittel. Die Fasermittel umfassen eine Faser, in welche das Gas einführbar ist. Mit den Koppelmitteln wird ein von der Laserlichtquelle erzeugtes Laserlicht in die Faser eingekoppelt, um mit diesem Laserlicht das Gas anzuregen, so dass Streulicht von dem Gas emittiert wird. Die Auswertemittel sind ausgestaltet, um das Streulicht hinsichtlich seiner Frequenz, Intensität und/oder Polarisation auszuwerten, um abhängig von der Frequenz, Intensität und/oder Polarität das Gas zu analysieren. Die Führungsmittel sind ausgestaltet, um das Streulicht zu den Auswertemitteln zu führen oder zu leiten. Dabei umfassen die Fasermittel ein Rohr, in welches die Faser eingebettet ist. Das Rohr weist einen inneren Gasdruck auf, welcher einem inneren Gasdruck der Faser entspricht. Dabei ist der innere Gasdruck der Faser höher als ein maximal möglicher innerer Gasdruck der Faser, welcher durch eine Festigkeit und/oder eine optische Eigenschaft der Faser defi-
niert ist, wenn die Faser nicht in das Rohr eingebettet ist.
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Erfindungsgemäß ist daher der innere Gasdruck der Faser insbesondere höher als ein maximaler innerer Gasdruck der Faser, welcher allein durch die Festigkeit und die optische Eigenschaft der Faser (d.h. ohne Einbettung in ein Rohr) definiert ist. Der maximale innere Gasdruck der Faser ist dabei dadurch definiert, dass sich, wenn der Differenzdruck der Faser zwischen Innendruck und Außendruck der Faser größer als dieser maximale innere Gasdruck der Faser ist, die optischen Eigenschaften der Faser ändern und/oder die Faser zerstört wird. Anders ausgedrückt entspricht der maximale innere Gasdruckdruck der Faser genau demjenigen Differenzdruck der Faser zwischen Innendruck und Außendruck der Faser bei dem die optischen Eigenschaften der Faser im Vergleich zu einem nahezu nicht vorhandenen Differenzdruck der Faser
im Wesentlichen unverändert sind.
Durch das Einbetten der Faser in das Rohr und da das Rohr und die Faser mit demselben Gasdruck gefüllt sind, ist der Differenzdruck zwischen der Außenseite der Faser und der Innenseite der Faser (im statischen Zustand) identisch. Durch diese Maßnahme wird eine mechanische Belastung der Faser aufgrund des erhöhten inneren Gasdrucks innerhalb der Faser weitestgehend vermieden, so dass die Faser trotz des erhöhten inneren Gasdrucks dieselben optischen Eigenschaften aufweist wie bei ei-
nem inneren Gasdruck auf dem Niveau des Umgebungsluftdrucks.
Indem der innere Gasdruck der Faser erhöht wird, wird die Anzahl der Gasmoleküle und somit die Intensität des Streulichts erhöht, was zur Erhöhung der Messgenauigkeit führt. Dabei weist die Messgenauigkeit eine lineare Abhängigkeit von dem inneren Gasdruck der Faser auf, so dass die Messgenauigkeit umso höher liegt, umso höher der innere Gasdruck der Faser ist, sofern die anderen Randbedingungen (z.B. Laser-
leistung) konstant gehalten werden können.
Durch die Einbettung der Faser in das Rohr kann der innere Gasdruck der Faser vorteilhafterweise über den maximalen inneren Gasdruck der Faser erhöht werden, wobei dieser maximale innere Gasdruck der Faser allein durch die Festigkeit der Faser bestimmt wird. Mit anderen Worten wird durch das Einbetten der Faser in das Rohr und durch das Befüllen des Rohrs mit demselben inneren Gasdruck wie die Faser ermöglicht, dass der innere Gasdruck der Faser sehr stark erhöht werden kann, wodurch die
Streulichtintensität und somit die Messgenauigkeit entsprechend gesteigert werden.
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Selbst wenn die Faser derart gefertigt wäre, dass sie einem sehr hohen Differenzdruck standhalten könnte, bestände ohne die Einbettung in das Rohr die Gefahr, dass die Faser gedehnt wird, wodurch sich nachteiligerweise die optischen Eigenschaften der Faser verändern. Durch die mechanische Belastung aufgrund des hohen inneren Gasdrucks wird die optische Eigenschaft der Faser verändert. Dadurch werden das Laserlicht und das Streulicht stärker gedämpft, was nachteiligerweise die Intensität des Streulichts reduzieren würde. Durch das Einbetten der Faser in das Rohr, welches mit demselben Gasdruck wie die Faser gefüllt ist, wird auch eine Veränderung der optischen Eigenschaften der Faser aufgrund der mechanischen Druckbelastung vorteil-
hafterweise verhindert.
Die Fasermittel können als eine Gasmesszelle ausgeführt sein, welche einen Gaseinlass und einen Gasauslass mit mindestens einem (Koppel-)Fenster, um das Laserlicht in die Gasmesszelle einzuführen und das Streulicht aus der Gasmesszelle auszuführen, umfassen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei unter einem Fenster insbesondere eine planparallele optische Komponente aus kristallinem Material, welches beschichtet sein kann, um z.B. Reflexionsverluste zu vermeiden, verstanden. Al-
ternativ kann man das Fenster auch als planparallele Platte bezeichnen.
Die erfindungsgemäße Analyse des Gases abhängig von der Frequenz, Intensität und/oder Polarität kann die Analyse eines kompletten Spektrums von Gasgemischen
umfassen.
Beispielsweise kann der innere Gasdruck der Faser (und damit der innere Gasdruck des Rohrs) größer als 2x10° Pa bzw. 20 bar sein. Es ist allerdings auch möglich, dass der innere Gasdruck der Faser (und damit der innere Gasdruck des Rohrs) größer als 5x10° Pa bzw. 50 bar, besser größer als 10’ Pa bzw. 100 bar und noch besser größer als 2x10’ Pa bzw. 200 bar ist.
Wenn die Messgenauigkeit bei einem inneren Gasdruck der Faser von 1 bar bei z.B. 100 ppm liegt, dann liegt diese Messgenauigkeit bei einem inneren Gasdruck der Fa-
ser von 10 bar bei 10 ppm und bei einem inneren Gasdruck der Faser von 100 bar bei
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1 ppm. Die Messgenauigkeit steigt also linear mit dem inneren Gasdruck der Faser,
wie es bereits vorab ausgeführt ist.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Auswertemittel ein Raman-Spektrometer mit einem Detektor (insbesondere mit einem CCD-Detektor
(Charged Coupled Device)).
Durch die Kombination mit dem Raman-Spektrometer und der Faser wird erfindungsgemäß eine FERS-Spektroskopie (d.h. eine faserverstärkte Raman-Spektroskopie) re-
alisiert.
Darüber hinaus können die Führungsmittel ein Filter umfassen, um Wellenlängen (0-
der die Wellenlänge) des Laserlichts auszufiltern.
Durch die Anordnung des Filters können vorteilhafterweise die Anregungswellenlän-
gen, welche von der Laserlichtquelle erzeugt werden, unterdrückt werden.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform handelt es sich bei der Faser um eine so genannte Hohlfaser oder Hollow-Core-Faser (HC-Faser). Diese Art von Faser (d.h. die Hohlfaser) umfasst insbesondere ein oder mehrere Glasrohre. Das
zu analysierende Gas wird in den oder in die Hohlräume der Hohlfaser gedrückt.
Die Hohlfaser dient zum einen als optischer Wellenleiter für eine effiziente Führung des Laserlichts durch das zu analysierende Gas. Zum anderen ermöglicht die Hohlfaser ein effizientes Sammeln und Führen des Streulichts. Beide Effekte erhöhen vor-
teilhafterweise die Messgenauigkeit.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Koppelmittel ein Fenster (Definition siehe oben) oder eine Linse, um das Laserlicht in die Faser einzukoppeln. Bei dieser Linse handelt es sich vorteilhafterweise um eine Fokussierlinse, wodurch das Laserlicht in die Faser eingekoppelt wird. Bei dem Fenster handelt es sich um ein Mittel, um das Laserlicht und Streulicht möglichst unverändert
(insbesondere ungedämpft) in die Faser ein- und auszukoppeln.
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Die Führungsmittel umfassen insbesondere eine Ausgangsfaser, um das Streulicht zu den Auswertemitteln zu führen. Diese Ausgangsfaser ist für eine räumliche Filterung
geeignet.
Indem das Streulicht in die Ausgangsfaser eingekoppelt wird, wird vorteilhafterweise eine räumliche Filterung erzielt, ohne dass dazu beispielsweise ein sogenanntes Pin-
hole (oder eine Lochblende) implementiert werden muss.
Es ist allerdings auch möglich, dass die Auswertemittel quasi mit den Führungsmitteln kombiniert sind oder die Auswertemittel und die Führungsmittel ineinander übergehen,
so dass keine Ausgangsfaser benötigt wird.
Die Koppelmittel umfassen insbesondere einen dichroitischen Teiler, um zum einen das Laserlicht in die in das Rohr eingebettete Faser zu lenken bzw. einzukoppeln und um zum anderen das von der Faser kommende Streulicht auszukoppeln und möglichst
ohne Anteile des Laserlichts zu den Auswertemitteln zu führen.
Abhängig von dem Typ der Laserlichtquelle ist das aus der Laserlichtquelle austretende Laserlicht bereits kollimiert (z. B. bei einem Freiraumlaser) oder wird mit einer Linse kollimiert, bevor das kollimierte Laserlicht über den dichroitischen Teiler (DC-
Splitter) und z.B. die Fokussierlinse in die Faser eingekoppelt wird.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es allerdings auch möglich, dass die Koppelmittel das Laserlicht von einer anderen Seite in die Faser einkoppeln
als das Streulicht von der Faser zu den Auswertemitteln geführt wird.
Die bzw. jede Faser weist zwei Enden auf, so dass es möglich ist, Licht von diesen zwei Enden bzw. Seiten in die Faser einzukoppeln. Beim Einsatz des dichroitischen Teilers wird das Laserlicht von derselben Seite der Faser eingekoppelt, zu welcher auch das Streulicht aus der Faser herausgeführt wird. Dagegen wird bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform das Laserlicht von einer ersten dieser beiden Seiten der Faser in die Faser eingeführt, während das Streulicht von einer zweiten dieser
beiden Seiten der Faser aus der Faser herausgeführt wird. Dabei unterscheidet sich
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die erste Seite der Faser von der zweiten Seite der Faser, oder die erste und die zweite
Seite der Faser bilden zusammen die beiden Seiten bzw. Enden der Faser.
Der Vorteil dieser Ausführungsform ist beispielsweise, dass der dichroitische Teiler
nicht benötigt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Prüfsystem zum Prüfen von gelösten Gasen und Gas an einer Hochspannungsanlage bereitgestellt. Dabei umfasst das Prüfsystem eine Auswerteeinheit und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Analysieren von Gas. Das Prüfsystem ist ausgestaltet, um eine Analyse des Gases von oder in einer Isolierung der Hochspannungsanlage durchzuführen. Die Auswerteeinheit ist ausgestaltet, um abhängig von der Analyse des Gases ein Ergebnis der
Überprüfung der Hochspannungsanlage zu erstellen.
Das erfindungsgemäße Prüfsystem kann an ölisolierten Hochspannungsanlagen, wie z.B. Leistungstransformatoren, Stromwandlern, Spannungswandlern und mittels Gas isolierten Schaltanlagen, eingesetzt werden. Bei dem zu analysierenden Gas kann es sich um ein Gas, welches zur Isolierung der Hochspannungsanlage selbst eingesetzt wird, oder um ein Gas, welches sich aus einer Flüssigkeit einer Isolierung gelöst hat,
handeln. Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Analysieren von Gas bereitgestellt. Dieses erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende
Schritte:
e Erzeugen von Laserlicht. In diesem Schritt wird von einer Laserlichtquelle ins-
besondere monochromatisches Licht erzeugt.
e Einführen des Gases in eine Faser.
e Einkoppeln des Laserlichts in die Faser, um mit dem Laserlicht das Gas anzu-
regen, so dass Streulicht von dem Gas emittiert wird.
e Führen des Streulichts von der Faser zu Auswertemitteln.
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e Auswerten des Streulichts bezüglich seiner Frequenzanteile, seiner Intensität dieser Frequenzanteile und/oder seiner Polarität dieser Frequenzanteile, um abhängig von seinen Frequenzanteilen, von seiner Intensität der Frequenzan-
teile und/oder von seiner Polarität der Frequenzanteile das Gas zu analysieren.
Dabei ist die Faser in einem Rohr eingebettet ist, welches einen inneren Gasdruck aufweist, welcher einem inneren Gasdruck der Faser entspricht. Der innere Gasdruck der Faser ist dabei höher als ein maximal möglicher innerer Gasdruck der Faser, welcher durch eine Festigkeit und eine optische Eigenschaft der Faser definiert ist, wenn
die Faser nicht in das Rohr eingebettet ist.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, so dass hier auf eine Wiederholung
verzichtet wird.
Neben der Überprüfung von Hochspannungsanlagen kann die vorliegende Erfindung zur Qualitätskontrolle im Labor, zur Prozessanalyse und Prozessüberwachung eingesetzt werden für:
e Petrochemie- und Chemie-Anlagen
e Erdgas-Aufbereitungsanlagen
e Bio-Gas-Anlagen
e Brennwertbestimmungen bei online Erdgasanalysen und bei Energieerzeugun-
gen
e Emissionsmessungen
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
In Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Analysieren von
Gas dargestellt.
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In Fig. 2 ist schematisch ein Querschnitt einer in einem Rohr eingebetteten Hohlfaser
gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt.
In Fig. 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Prüfsystem mit einer erfindungsge-
mäßen Vorrichtung zur Überprüfung einer Hochspannungsanlage dargestellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 dargestellt, welche einen Detektor 1, einen Lichtgenerator 17 und eine Fasereinrichtung bzw. Fasermittel
2,3 umfasst.
Der Detektor 1 umfasst ein Raman-Spektrometer, welches Messsignale über einen CCD-Detektor 16 erfasst.
Der Lichtgenerator 17 umfasst einen monochromatischen Laser 4 zur Erzeugung eines Laserlichts bzw. Laserstrahls 7, mit welchem Gas-Moleküle angeregt werden. Zusätzlich umfasst der Lichtgenerator 17 optische Bauteile 5, 6, 9, 12, 13 für die Lenkung des Laserstrahls 7 in eine Hohlfaser 2 und für die Lenkung des Streulichts 8 zu dem Detektor 1. Beispielsweise verhindert ein Filter 5, dass der Laserstrahl 7 zum Detektor
1 geführt wird.
Die Fasermittel, welche auch als Sensor oder (Gas-)Messzelle angesehen werden können, umfassen die Hohlfaser 2, welche in einem Rohr 3 eingebettet ist. Über einen Gaseinlass 15 wird das zu analysierende Gas in die Hohlfaser 2 eingeleitet über einen Gasauslass 14 wieder abgeleitet. Die Fasermittel 2, 3 können in Form einer Gasmess-
zelle 21 ausgebildet oder in eine derartige Gasmesszelle 21 integriert sein.
Das Hauptelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist diese Hohlfaser 2, welche auch als Hollow-Core-Faser oder HC-Faser bezeichnet wird. Die Hohlfaser umfasst ein Bündel von Glasrohren. Das zu analysierende Gas wird in Hohlräume der
Hohlfaser 2 gedrückt, welche zwischen den Glasrohren existieren.
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Durch die Einkopplung des Laserstrahls 7 in die Hohlfaser 2 wird das innerhalb der Hohlfaser 2 befindliche Gas angeregt, so dass aufgrund des Raman-Effekts Streulicht 8 vom Gas emittiert wird. Über eine Linse 9 und ein Fenster 19 wird der Laserstrahl 7 in die Hohlfaser 2 eingekoppelt und gleichzeitig wird das Streulicht 8 (insbesondere Streuphotonen) in eine Ausgangsfaser 11 eingekoppelt und einem Raman-Spektrometer 1, in welchem Messsignale über einen CCD-Detektor 16 erfasst werden, zugeführt.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Linse 9 auch anstelle des Fensters 19 in den Fasermitteln2, 3 bzw. in der Gasmesszelle 21 integriert sein, so
dass die Linse 9 quasi die Funktion des Fensters mit übernimmt.
Der Lichtgenerator 17 ist ein optisches Führungssystem, bei welchem quasi die Wege des Laserstrahls 7 zur Faser 2 mit einem dichroitischen Teiler bzw. Splitter 6 gelenkt werden und das Streulicht 8 durch den dichroitischen Teiler bzw. Splitter 6 über ein Filter 5 in den Pfad zur Ausgangsfaser 11 hinzugefügt wird. Durch das Filter 5 werden restliche Wellenlängen des Laserstrahls 7 maßgeblich unterdrückt, so dass möglichst nur diejenigen Photonen, welche in der Hohlfaser 2 durch die Raman-Streuung erzeugt werden, in die Ausgangsfaser 11 gelangen. Außerdem kann in dem Streulichtpfad ein weiterer Filter (nicht dargestellt) für eine Intensitätsreduzierung von Streulichtanteilen verwendet werden, um die einzelnen lichtempfindlichen Elemente (Pixel) eines CCD-Sensors vor zu hoher Ladungsmenge zu schützen (Blooming-Effekt). Damit werden durch die Einkopplung der durch den Raman-Effekt gestreuten Photonen (des Streulichts 8) in die Ausgangsfaser 11 nahezu nur die Photonen des Streulichts 8 zur Spektralanalyse in das Raman-Spektrometer 1 geleitet. Durch den Anschluss des Raman-Spektrometers 1 über die Ausgangsfaser 11 wird vorteilhafterweise eine räumliche Filterung erzielt, ohne dass dazu beispielsweise ein Pinhole implementiert werden
muss. Das Filter 5 zum Filtern des Laserlichts 7 kann irgendwo im Pfad des Laserlichts 7 vom
dichroitischen Teiler 6 bis zum CCD-Sensor 16 angeordnet werden, wobei der in Fig.
1 dargestellte Ort bevorzugt ist.
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Das (nicht dargestellte) Filter zum Filtern des Streulichts kann irgendwo im Pfad des Streulichts vom Gasauslass 14 bis zum CCD-Sensor 16 angeordnet sein. Dabei ist
selbst ein Anordnen dieses Filters direkt auf dem CCD-Sensor 16 vorteilhaft.
Bei dem Laser 4 kann es sich um einen fasergekoppelten Laser oder um einen Freiraum-Laser handeln. Bei einem fasergekoppelten Laser wird der Laserstrahl 7 mit einer Linse 13 kollimiert und über den dichroitischen Teiler 6 und eine Fokussierlinse 9 in die Hohlfaser (Messfaser) 2 eingekoppelt. Aus einem Freiraum-Laser tritt das Licht bereits kollimiert aus, so dass keine zusätzliche Linse 13 notwendig ist und das Laserstrahl 7 direkt über den Splitter 6 und die Fokussierlinse 9 in die Hohlfaser 2 eingekop-
pelt werden kann.
Erfindungsgemäß ist auch eine kompakte Ausführungsform möglich, bei welcher das Spektrometer 1 in den Lichtgenerator 17 integriert ist, wobei dabei die Ausgangsfaser
11 und Linse 12 entfallen kann.
In Fig. 2 sind die Hohlfaser 2 und das Rohr 3, in welches die Hohlfaser 2 eingebettet ist, im Querschnitt dargestellt. Beim Befüllen des Gases in die Hohlfaser 2 wird gleichzeitig das Rohr 3 mit Gas (z.B. mit dem zu analysierenden Gas) befüllt. Somit entspricht der innere Gasdruck pr im Rohr 3 dem inneren Gasdruck pr in der Hohlfaser 2, und der maximale innere Gasdruck in der Hohlfaser 2 wird durch das Rohr 3 und das eingesetzte Befüllungssystem bestimmt. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, bei der Analyse eines Gases mit einem sehr hohen inneren Gasdruck in der Hohlfaser 2 zu arbeiten, wodurch die Anzahl der Gas-Moleküle und dadurch die Streu-
lichtintensität deutlich erhöht wird, was die Messgenauigkeit deutlich verbessert.
In Fig. 3 sind schematisch ein erfindungsgemäßes Prüfsystem 30 und eine Hochspannungsanlage 40 dargestellt. Dabei ist das Prüfsystem 30 ausgestaltet, um eine Isolierung 19 der Hochspannungsanlage 40 zu überprüfen. Das Prüfsystem 30 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Analysieren von Gas, wie sie vorab beschrieben und in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Darüber hinaus umfasst das Prüfsystem 30 eine Auswerteeinheit 20, um abhängig von der durch die Vorrichtung 10 ausgeführ-
ten Analyse des Gases ein Ergebnis der Überprüfung zu erstellen. Dabei analysiert
die Vorrichtung 10 ein aus der Isolierung 19 kommendes Gas, wobei anhand der AnaIyse dieses Gases die Qualität der Isolierung 19 und damit ein Maß für die Einsatzbe-
reitschaft der Hochspannungsanlage 40 selbst bestimmt werden kann.
Claims (13)
1. Vorrichtung (10) zum Analysieren von Gas, umfassend
eine Laserlichtquelle (4), um ein Laserlicht (7) zu erzeugen,
Fasermittel (2, 3), welche eine Faser (2) umfassen, in welche das Gas einführbar ist, Koppelmittel (6, 9), um das Laserlicht (7) in die Faser (2) einzukoppeln, um mit dem Laserlicht (7) das Gas anzuregen, so dass Streulicht (8) von dem Gas emittiert wird, Auswertemittel (1, 16), um das Streulicht (8) hinsichtlich mindestens einer von seiner Frequenz, Intensität und Polarisation auszuwerten, um abhängig von dem mindestens einen von der Frequenz, Intensität und Polarität das Gas zu analysieren, und Führungsmittel (5, 11), um das Streulicht (8) zu den Auswertemitteln zu führen, wobei die Fasermittel ein Rohr (3) umfassen, in welchem die Faser (2) eingebettet ist, wobei das Rohr (3) einen inneren Gasdruck (pr) aufweist, welcher einem inneren Gasdruck (pr) der Faser (2) entspricht,
wobei der innere Gasdruck (pr) der Faser (2) höher ist als ein maximal möglicher innerer Gasdruck der Faser (2), welcher durch eine Festigkeit und eine optische Eigenschaft der Faser (2) definiert ist, wenn die Faser (2) nicht in das Rohr (3) eingebettet
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der innere Gasdruck (pr) der Faser (2) höher als 2x10® Pa ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel ein Raman-Spektrometer (1) mit einem Detektor (16) umfas-
sen, auf welchem das Streulicht (8) auftrifft.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel ein Filter (5) umfassen, um Wellenlängen des Laserlichts (7)
und/oder Streulichts (8) auszufiltern.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
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dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (2) eine Hohlfaser ist, und
dass das Gas in mindestens einen Hohlraum der Hohlfaser (2) einfüllbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Hohlfaser mindestens ein Glasrohr umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelmittel eine Linse (9) umfassen, um das Laserlicht (7) in die Faser (2)
einzukoppeln.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Führungsmittel eine Ausgangsfaser (11) umfassen, um das Streulicht (8) zu den Auswertemitteln zu führen, und
dass die Ausgangsfaser (11) für eine räumliche Filterung ausgestaltet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Koppelmittel einen dichroitischen Teiler (6) umfassen, um zum einen das Laserlicht (7) in die Faser (2) einzukoppeln und um zum anderen das von der Faser (2)
kommende Streulicht (8) auszukoppeln.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung (10) ausgestaltet ist, so dass die Koppelmittel das Laserlicht (7) von einer anderen Seite in die Faser (2) einkoppeln als das Streulicht (8) von der Faser
(2) zu den Auswertemitteln (1, 16) geführt wird.
11. Prüfsystem zum Prüfen einer Hochspannungsanlage (40),
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wobei das Prüfsystem (30) eine Auswerteeinheit (20) und eine Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, um eine Analyse des Gases in oder von einer Isolierung der Hochspannungsanlage (40) durchzuführen,
wobei die Auswerteeinheit (20) ausgestaltet sind, um abhängig von der Analyse ein
Ergebnis der Prüfung der Hochspannungsanlage (40) zu erstellen.
12. Verfahren zum Analysieren von Gas,
wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Erzeugen von Laserlicht (7),
Einführen des Gases in eine Faser (2),
Koppeln des Laserlichts (7) in die Faser (2), um mit dem Laserlicht (7) das Gas anzuregen, so dass Streulicht (8) von dem Gas emittiert wird,
Führen des Streulichts (8) von der Faser (2) zu Auswertemitteln (1, 16), und Auswerten des Streulichts (8) hinsichtlich mindestens einem von seiner Frequenzanteile, seiner Intensität der Frequenzanteile und seiner Polarität der Frequenzanteile, um abhängig von dem mindestens einen von seinen Frequenzanteilen, von seiner Intensität der Frequenzanteile und von seiner Polarität der Frequenzanteile das Gas zu analysieren,
wobei die Faser (2) in einem Rohr (3) eingebettet ist,
wobei das Rohr (3) einen inneren Gasdruck (pr) aufweist, welcher einem inneren Gasdruck (pr) der Faser (2) entspricht,
wobei der innere Gasdruck (pr) der Faser (2) höher ist als ein maximal möglicher innerer Gasdruck der Faser (2), welcher durch eine Festigkeit und eine optische Eigenschaft der Faser (2) definiert ist, wenn die Faser (2) nicht in das Rohr (3) eingebettet
ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mit einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1-11 ausgeführt wird.
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| ATA50139/2019A AT522216A1 (de) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | Analysieren von Gas mittels Raman-Spektroskopie |
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| ATA50139/2019A AT522216A1 (de) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | Analysieren von Gas mittels Raman-Spektroskopie |
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ID=69526217
Family Applications (1)
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| ATA50139/2019A AT522216A1 (de) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | Analysieren von Gas mittels Raman-Spektroskopie |
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| AT (1) | AT522216A1 (de) |
| WO (1) | WO2020169324A1 (de) |
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