DE102004018530B4 - Test method and apparatus for laser measurement system - Google Patents
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Abstract
Lasermeßsystem zur Messung eines Fluid-Bestandteils in einem Beobachtungsraum (13), mit mindestens einer zur Erzeugung eines Laserstrahls bestimmten Laserlichtquelle (19), die auf einer Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, und mit mindestens einem Photosensor (20), der der Laserlichtquelle (19) gegenüberliegend auf der anderen Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, wobei die Laserlichtquelle und/oder der Photosensor in einem Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (5) des Gehäuses durch ein Sichtfenster (3) aus transparentem Material von dem Beobachtungsraum (13) getrennt ist und daß ein Prüfgaskanal (6) in den Innenraum (5) des Gehäuses mündet.laser measurement system for measuring a fluid constituent in an observation room (13), with at least one intended for generating a laser beam Laser light source (19) on one side of the observation room (13) is fixed, and with at least one photosensor (20), the the laser light source (19) opposite is attached to the other side of the observation room (13), wherein the laser light source and / or the photosensor is arranged in a housing, characterized in that the Interior (5) of the housing through a viewing window (3) of transparent material from the observation room (13) is separate and that a Prüfgaskanal (6) in the interior (5) of the housing empties.
Description
Die Erfindung betrifft ein Lasermeßsystem zur Messung eines Fluid-Bestandteils in einem Beobachtungsraum, mit mindestens einer zur Erzeugung eines Laserstrahls bestimmten Laserlichtquelle, die auf einer Seite des Beobachtungsraums befestigt ist, und mit mindestens einem Photosensor, der der Laserlichtquelle gegenüberliegend auf der anderen Seite des Beobachtungsraums befestigt ist, wobei die Laserlichtquelle und/oder der Photosensor in einem Gehäuse angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Durchführung einer Funktionsprüfung an einem derartigen Lasermeßsystem.The The invention relates to a laser measuring system for Measurement of a fluid component in an observation room, with at least one for generating a Laser beam specific laser light source, which is on one side of the Observation room is fixed, and with at least one photosensor, the opposite of the laser light source attached to the other side of the observation room, where the laser light source and / or the photosensor are arranged in a housing is. The invention further relates to a method for carrying out a functional test on such a laser measuring system.
Derartige Lasermeßsysteme werden beispielsweise bei der Laser-Absorptionsspektroskopie verwendet, mit der berührungslos die Konzentration bestimmter Bestandteile eines flüssigen oder gasförmigen Fluids in einem Beobachtungsraum, wie beispielsweise der Sauerstoffgehalt in einem Rauchgas gemessen werden kann. Das Rauchgas einer Feuerungsanlage weist in der Regel eine hohe Temperatur, aggressive Bestandteile und Staub und Ruß auf, wodurch die optischen Komponenten des Lasermeßsystems verschmutzt oder beschädigt werden können. Aus diesem Grund sind die optischen Komponenten in der Regel in einem Gehäuse angeordnet, welches ein Sichtfenster aufweist. Das Fenster befindet sich direkt im Strahlgang des Laserstrahls und wird zur Trennung der optischen Komponenten des Meßsystems von der Atmosphäre im Beobachtungsraum eingesetzt.such laser measuring systems are used for example in laser absorption spectroscopy, with the contactless the concentration of certain components of a liquid or gaseous Fluids in an observation room, such as the oxygen content can be measured in a flue gas. The flue gas of a firing plant usually has a high temperature, aggressive components and dust and soot on, causing the optical components of the laser measuring system become dirty or damaged can. For this reason, the optical components are usually in a housing arranged, which has a viewing window. The window is located directly in the beam path of the laser beam and becomes the separation the optical components of the measuring system from the atmosphere in the observation room used.
Bei der Laser-Absorptionsspektroskopie werden in ihrer Wellenlänge (bzw. Frequenz) abstimmbare Single-Mode-Laser verwendet. Diese Laser haben die Eigenschaft, nur eine einzelne Lichtwellenlänge zu emittieren, die elektrisch – in der Regel über den Ansteuerstrom – einstellbar ist. Bei dem Meßverfahren wird die Energie des Laserstrahls bei Durchstrahlen eines gasförmigen Mediums durch den zu messende Bestandteil reduziert, indem die photonische Energie – charakterisiert durch die Wellenlänge – mit der kinetischen bzw. elektrischen Energie in Resonanz tritt. Dieses Verhalten zeigt sich in der Regel nicht nur bei einer Wellenlänge, so daß man hier auch von einen Spektrum spricht.at of the laser absorption spectroscopy are in their wavelength (or Frequency) tunable single-mode laser used. These lasers have the property of emitting only a single wavelength of light that is electrically - in the Usually over the drive current - adjustable is. In the measuring method becomes the energy of the laser beam when passing through a gaseous medium reduced by the component to be measured by the photonic Energy - characterized through the wavelength - with the Kinetic or electrical energy occurs in resonance. This Behavior is usually not only at one wavelength, so that he here also speaks of a spectrum.
Ist in dem Beobachtungsraum keine Konzentration des zu messenden gasförmigen Bestandteils vorhanden, wird keine Absorption gemessen. Das selbe Ergebnis zeigt sich auch, wenn sich der Wellenlängenbereich der Ansteuerung z.B. durch einen Fehler verschiebt und keine Absorptionslinie erfaßt wird. Es ist daher wünschenswert zu prüfen, ob bei Abwesenheit eines gemessenen Konzentrationswertes der zu messende Bestandteil nicht vorhanden ist oder ein Meßfehler vorliegt. Es gibt aber auch andere Situationen, die eine Überprüfung des Meßergebnisses erfordern.is there is no concentration of the gaseous constituent to be measured in the observation room, No absorption is measured. The same result is also evident when the wavelength range the activation of e.g. shifted by an error and no absorption line is detected. It is therefore desirable to consider, whether in the absence of a measured concentration value of measuring component is missing or a measurement error is present. But there are other situations that require a review of the measurement result require.
Die
Druckschrift
Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionsprüfung derartiger Lasermeßsysteme zu erleichtern, welche für Messungen von Gasen mit hoher Temperatur, aggressiven Bestandteilen und Staub und Rauch geeignet ist.task The invention is the functional testing of such laser measuring systems to facilitate which for Measurements of gases with high temperature, aggressive components and dust and smoke is suitable.
Diese Aufgabe wird in bezug auf die Vorrichtung dadurch gelöst, daß ein Prüfgaskanal in das Gehäuse des Lasermeßsystems mündet, wobei der Innenraum des Gehäuses durch ein Sichtfenster aus transparentem Material von dem Beobachtungsraum getrennt ist. In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Prüfgas in das Gehäuse des Lasermeßsystems geleitet wird, wobei der Innenraum des Gehäuses durch ein Sichtfenster aus transparentem Material von dem Beobachtungsraum getrennt wird.These The object is achieved with respect to the device in that a test gas channel in the case the laser measuring system opens the interior of the housing separated by a viewing window of transparent material from the observation room is. With regard to the method, the object is achieved in that a test gas in the housing the laser measuring system is passed, with the interior of the housing through a viewing window of transparent material is separated from the observation room.
Mit anderen Worten kann gemäß der Erfindung das Gehäuse zum Schutz der optischen Komponenten des Lasermeßsystems mit einem Prüfgas befüllt werden. Hieraus resultiert, daß innerhalb des Gehäuses eine definierte Länge des Prüfgases von dem Laserstrahl des Lasermeßsystems durchlaufen wird. Das Prüfgas kann eine vorgegebene Konzentration des zu messenden Bestandteils aufweisen. Es können aber Prüfgase mit beliebigen Bestandteilen verwendet werden, je nachdem, welche Funktion des Lasermeßsystems geprüft werden soll.With In other words, according to the invention the housing to protect the optical components of the Lasermeßsystems be filled with a test gas. This results in that within of the housing a defined length of the test gas from the laser beam of the laser measuring system is going through. The test gas may be a predetermined concentration of the component to be measured exhibit. It can but test gases be used with any components, whichever Function of the laser measuring system checked shall be.
Wenn der Innenraum des Gehäuses mit dem Prüfgas befüllt ist, kann eine Prüfmessung oder Referenzmessung durchgeführt werden. Durch das Einbringen einer definierten Strecke von bekanntem Prüfgas in den Strahlengang des Laserstrahls muß sich der Meßwert des Lasermeßsystems auf eine vorbestimmte Weise verändern. Tritt keine Veränderung auf, kann auf einen Defekt des Systems geschlossen werden. Fällt die Änderung anders als erwartet aus, können hieraus die möglichen Fehlerquellen abgeleitet werden.If the interior of the housing with the test gas filled is, can a test measurement or reference measurement performed become. By introducing a defined range of known test gas in the beam path of the laser beam, the measured value of the laser measurement system change in a predetermined way. Does not change on, can be concluded on a defect of the system. If the change fails unlike expected, you can from this the possible Sources of error are derived.
Durch die Erfindung wird es möglich, die Funktion des Lasermeßsystems im Betrieb, d.h. in-situ an der zu überwachenden Anlage zu prüfen. Das Prüfgas wird nur in das Gehäuse des Lasermeßsystems eingeleitet und nicht in den Beobachtungsraum. Es kann daher den Prozeß innerhalb des Beobachtungsraums nicht negativ beeinflussen. Wird in den Laserstrahl eine bekannte Konzentration des zu messenden Bestandteils, d.h. der zu messenden gasförmigen Komponente, auf eine definierte Länge eingebracht, kann der Wellenlängenbereich anhand der dann auftretenden Absorption erkannt werden. Ebenso kann eine gemessene Konzentration auf diesem Wege geprüft werden, da die eingebrachte Konzentration additiv in die dann gemessene Absorption eingeht. Aufgrund der bekannten Daten der eingebrachten Konzentration sowie der Länge des mit Prüfgas befüllten Innenraums kann die zu messende Konzentration in dem Beobachtungsraum errechnet werden. Im Vergleich zu den bekannten Prüfungen eines Lasermeßsystems an externen Prüfgasküvetten ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß das Lasermeßsystem gemäß der Erfindung zur Prüfung nicht abgebaut werden muß und die Anlage, an der das Lasermeßsystem installiert ist, während der Prüfung weiter laufen kann. Das Gehäuse ist als Prüfgasküvette zu verwenden und ist fester Bestandteil der eingebauten Meßsonde.By the invention makes it possible the function of the laser measuring system in operation, i. in situ at the plant to be monitored. The test gas is only in the case the laser measuring system initiated and not in the observation room. It can therefore the Process within of the observation room. Is in the laser beam a known concentration of the component to be measured, i. the gaseous to be measured Component, introduced to a defined length, the wavelength range be recognized by the then occurring absorption. Likewise a measured concentration will be tested this way since the introduced concentration is additive in the then measured Absorption is received. Due to the known data of the introduced Concentration as well as the length with test gas filled Interior can be the concentration to be measured in the observation room be calculated. Compared to the known tests of a laser measurement system results on external test gas cuvettes the main advantage is that the laser measuring system according to the invention for testing does not have to be dismantled and the plant where the laser measuring system is installed while the exam continues can run. The housing is as a test gas cuvette too use and is an integral part of the built-in probe.
Zur Überprüfung der Messung wird das Gehäuse über einen Prüfgaskanal mit einem Prüfgas geflutet. In der Praxis ist an dem Gehäuse ein Entlüftungskanal vorzusehen, durch den das beim Fluten in dem Gehäuse vorhandene Gas entweichen kann. Der Prüfgaskanal und der Entlüftungskanal befinden sich vorzugsweise an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses. Zur Befüllung mit dem Spülgas nach der Prüfung kann ein Spülgaskanal in das Gehäuse münden. Dabei können z.B. Spülgaskanal und Prüfgaskanal zu einem Kanal zusammengefaßt sein und mit verschiedenen Gasquellen verbunden sein.To check the Measurement is the case over a Prüfgaskanal flooded with a test gas. In practice, on the housing a vent channel to provide, through which escape the gas present in the housing during flooding can. The test gas channel and the venting channel are preferably located at opposite ends of the housing. to filling with the purge gas after the exam can be a purge gas channel open into the housing. there can e.g. purge gas and test gas channel combined into a channel be connected to different gas sources.
Der mit Prüfgas befüllbare Innenraum des Gehäuses kann gegenüber der optischen Meßeinrichtung und/oder gegenüber dem zu messende Medium in dem Beobachtungsraum über ein Fenster abgedichtet sein. Die Zuleitung für das Prüfgas und das Spülgas ist innerhalb des Sondenrohres bis zum hinteren Fenster verlegt. Die Entlüftungsleitung befindet sich am entgegengesetzten Ende des Gehäuses, wodurch ein vollständiges Befüllen gewährleistet wird. Gegebenenfalls kann an diesem Ende des Gehäuses ein weiteres Fenster angeordnet werden, so daß die optische Komponente gegenüber dem Innenraum, der mit Spülgas und Prüfgas geflutet werden kann, abgedichtet ist.Of the with test gas fillable Interior of the housing can be opposite the optical measuring device and / or opposite sealed the medium to be measured in the observation room via a window be. The supply line for the test gas and the purge gas is routed inside the probe tube to the rear window. The vent line is located at the opposite end of the housing, ensuring complete filling. Optionally, arranged at this end of the housing another window so that the optical component opposite the interior, with purge gas and test gas can be flooded, sealed.
Nach der Beendigung der Überprüfung wird das Gehäuse mit einem gasförmigen Medium (Spülgas) gefüllt, das keine Konzentration des zu messenden gasförmigen Bestandteils enthält. In diesem Zustand kann dann die zu messende Konzentration in dem Beobachtungsraum direkt ermittelt werden.To the completion of the review will be the casing with a gaseous Medium (purge gas) filled, which contains no concentration of the gaseous component to be measured. In this State can then be the concentration to be measured in the observation room be determined directly.
Wird beispielsweise der Sauerstoffgehalt in einem Rauchgaskanal gemessen, so kann bei normalem Betrieb das Gehäuse des Lasermeßsystems mit reinem Stickstoff gespült werden, der keinen Einfluß auf die Sauerstoffmessung hat. Zum Prüfen des Meßwertes kann Luft mit bekanntem O2-Gehalt oder ein Prüfgasgemisch mit bekannter Sauerstoffkonzentration in das Gehäuse geleitet werden.Becomes for example, the oxygen content measured in a flue gas duct, Thus, in normal operation, the housing of the Lasermeßsystems with flushed with pure nitrogen which will have no influence has the oxygen measurement. To check the measured value, air with known O2 content or a test gas mixture be passed with known oxygen concentration in the housing.
Eine Überprüfung kann dadurch erfolgen, daß ein erster Meßwert bei mit einem neutralen Spülgas gefülltem Gehäuse vor dem Einleiten des Prüfgases und ein zweiter Meßwert bei mit dem Prüfgas gefüllten Gehäuse erfaßt wird und die beiden Meßwerte miteinander verglichen werden.A review can be done by a first measured value at with a neutral purge gas filled casing before introducing the test gas and a second measured value at with the test gas filled casing detected and the two measured values together be compared.
Das erfindungsgemäße Lasermeßsystem weist eine Laserlichtquelle und einen Photosensor als optische Meßkomponente auf. Beide optischen Komponenten können in einem erfindungsgemäßen Gehäuse angeordnet sein, welches mit einem Prüfgas befüllbar ist. So können zur Überprüfung des Lasermeßsystems entweder beide oder nur eines der beiden Gehäuse mit einem Prüfgas gefüllt werden. Zur Überprüfung kann ein erster Meßwert erfaßt werden, wenn eines der beiden Gehäuse mit dem Prüfgas gefüllt ist, und es kann ein zweiter Meßwert erfaßt werden, wenn beide Gehäuse mit dem Prüfgas gefüllt sind. Beide Meßwerte können miteinander verglichen werden.The inventive laser measuring system has a laser light source and a photosensor as an optical measuring component on. Both optical components can be arranged in a housing according to the invention be, which with a test gas fillable is. So can to review the laser measurement system either both or only one of the two housings be filled with a test gas. To check can a first measured value detected when one of the two housings is filled with the test gas, and it can be a second reading detected be when both housings filled with the test gas. Both measured values can compared with each other.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:A exemplary embodiment The invention will be described below with reference to the accompanying drawings described. The drawings show in:
Die
Für den üblichen
Meßbetrieb
wird ein neutrales Spülgas
in den Innenraum
Zur Überprüfung der
Funktion des Meßsystems
kann der Prüfgaskanal
Wie
erwähnt,
enthält
das erfindungsgemäße Meßsystem
zwei optische Komponenten, nämlich eine
Laserlichtquelle
Das
in
Die
Innenwandung des Einschraubrings
Das
poröse
Material über
den größten Teil der
Länge des
Ausströmrohrs
Die
Gesamtlänge
des Ausströmrohrs
In
der
Ferner
weist, wie in
Die
Der
Laser
Grundsätzlich ist
jeder positionsempfindliche Lichtsensor, wie beispielsweise eine
Flächendiode, verwendbar.
Vorzugsweise wird eine Vierquadrantendiode
Durch
das Meßsignal
der Vierquadrantendiode kann der Verstellmotor
Das erfindungsgemäße Meßsystem kann auch mehrere Laserlichtquellen und Photosensoren umfassen, die zum Beispiel jeweils mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten. Auch können weitere optische Komponenten im Bedarfsfall im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet werden.The Measuring system according to the invention may also include multiple laser light sources and photosensors, for example, each working with different wavelengths. Also can additional optical components in case of need in the beam path of the Laser beam are arranged.
- 11
- optisches Gerät, optische Komponenteoptical Device, optical component
- 22
- Sichtfensterwindow
- 33
- Sichtfensterwindow
- 44
- rohrförmiger Körpertubular body
- 55
- Innenrauminner space
- 66
- PrüfgaskanalPrüfgaskanal
- 77
- Entlüftungskanalvent channel
- 88th
- Spülgaskanalpurge gas
- 99
- Austrittskanaloutlet channel
- 1010
- Ringnutring groove
- 1111
- Einschraubringscrew ring
- 1212
- radialer Kanalradial channel
- 1313
- Beobachtungsraumobservation room
- 1414
- poröse Hülseporous sleeve
- 1515
- poröse Hülseporous sleeve
- 1616
- Ausströmrohroutflow
- 1717
- Mündungsringmouth ring
- 1818
- optische Achse, Laserstrahloptical Axis, laser beam
- 1919
- LaserlichtquelleLaser light source
- 2020
- Photosensorphotosensor
- 2121
- Laserlaser
- 2222
- Strahlablenkungs-Mittel, SpiegelBeam deflection means mirror
- 2323
- Verstellmotoradjusting
- 2424
- Strahlteilerbeamsplitter
- 2525
- positionsempfindlicher Lichtsensor, Vierquadrantendiodeposition-sensitive Light sensor, four-quadrant diode
- 2626
- Dichtringseal
- Q1–Q4Q1-Q4
- Quadrantquadrant
- ββ
- Keilwinkelwedge angle
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