DE102004034832A1

DE102004034832A1 - Verfahren und Anordnung zur Gasanalyse

Info

Publication number: DE102004034832A1
Application number: DE200410034832
Authority: DE
Inventors: Gerhart Schroff; Michael Stetter
Original assignee: Individual
Current assignee: SCHROFF, GERHART, 71522 BACKNANG, DE; SCHROFF, GERHART, DE
Priority date: 2004-07-19
Filing date: 2004-07-19
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-07-20
Also published as: DE102004034832B4

Abstract

Die Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Analyse eines Gasgemisches. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das zu analysierende Gasgemisch in einem Untersuchungsvolumen (3) einem intensitätsmodulierten elektromagnetischen Analysewellenfeld (4) ausgesetzt wird, und dass ein Analysegas dem zu analysierenden Gasgemisch zugegeben wird, welches den Effekt der kinetischen Kühlung vermindert oder vollständig unterdrückt, so dass bei der Absorption von Frequenzanteilen des Analysewellenfeldes (4) durch Fremdgase und/oder Vernunreinigungen mittels des photoakustischen Effektes ein photoakustisches Signal (5) zur Erkennung der Verunreinigungen und/oder Fremdgase erzeugt wird, welches proportional zur im zu analysierenden Gasgemisch absorbierten Energie ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Gasanalyse gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 17.

Bei optischen Abbildungs- oder Strahlführungssystemen, wie sie bei leistungsstarken CO₂-Laserschneid- oder CO₂-Laserschweißanlagen eingesetzt werden, versucht man den gesamten Strahlengang mit einem extrem reinen Gas zu füllen, welches das verwendete CO₂-Laserlicht nicht absorbiert. Hierdurch sollen störende Einflüsse von Fremdgasen oder anderen Verunreinigungen wie sehr feinen Aerosolen oder Rauch- oder Staubpartikeln auf die Abbildungseigenschaften ausgeschlossen werden. Kann das optische System nicht hinreichend dicht aufgebaut werden, so wird der gesamte Strahlengang mit einem extrem reinen Gas durchspült. Ein Durchspülen des Strahlenganges kann aber auch dann notwendig werden, wenn einige der beim Aufbau des optischen Systems verwendeten Komponenten ausgasen und somit – meist sehr langsam und schwer vorhersehbar – Fremdgase in den Strahlengang gelangen. Der Einsatz sehr reiner Schutzgase verursacht jedoch sehr hohe Kosten.

Bei CO₂-Laserbearbeitungsmaschinen wird es daher zunehmend wichtiger den Strahlengang mit weit weniger reinen Gasen spülen zu können, da hier der Gasverbrauch aufgrund der nur bedingt möglichen Dichtheit eines solchen Strahlführungssystems, hervorgerufen durch die sehr komplexen Komponenten und auch teils sehr lange Strahlführung, naturgemäß hoch ist. Hieraus ergibt sich dann die Notwendigkeit, die verwendeten Gase genauer zu analysieren, um die Abbildungseigenschaften solcher Systeme nicht durch zu stark verunreinigte Schutzgase zu beeinflussen.

In der Patentanmeldung ( DE 102 00 349 A1 ) wurde vorgeschlagen, dass das verwendete Schutzgas in einer Analysezelle mittels des photoakustischen Effektes auf Fremdgase hin untersucht wird, wobei der die photoakustische Zelle beleuchtende CO₂-Laserstrahl dadurch erzeugt wird, dass von dem das Strahlführungssystem der Laserbearbeitungsmaschine durchsetzenden Laserstrahl ein Teilstrahl abgezweigt wird. Dieses kann dadurch geschehen, dass beispielsweise mittels teildurchlässiger Spiegel oder Strahlteiler direkt am Strahlerzeuger (Laser) ein Laserstrahl mit geringer Leistung ausgekoppelt wird.

Bei CO₂-Laserbearbeitungsanlagen, bei denen für die Gasanalyse mittels des photoakustischen Effektes CO₂-Laserlicht herangezogen wird, tritt bedingt durch den Effekt der "kinetischen Kühlung" das Problem auf, dass sobald CO₂ zusammen mit anderen das CO₂-Laserlicht der Strahlquelle absorbierenden Fremdgasen in dem mit Luft oder Stickstoff gefüllten Strahlführungssystem vorliegt, das von der Analysezelle gelieferte photoakustische Signal nicht länger proportional zur absorbierten Laserleistung ist, sondern je nach Gaszusammensetzung sich teilweise oder im Extremfall sogar komplett zu Null addieren kann, obwohl Laserlicht von den Fremdgasen absorbiert wird und die Abbildungseigenschaften des Strahlführungssystems hierdurch negativ beeinträchtigt werden.

Mit dem in der Patentanmeldung ( DE 102 00 349 A1 ) vorgeschlagenen Verfahren ist es somit nur dann möglich, Fremdgase zu erkennen, sofern diese kein CO₂ enthalten, oder den CO₂-Anteil zu bestimmen, solange keine weiteren das CO₂-Laserlicht absorbierende Fremdgase als Verunreinigung im Stickstoff oder der Luft enthalten sind. Beide Annahmen sind in der Praxis nur mit hohem technischen und damit finanziellen Aufwand erreichbar.

Diese Schwierigkeit mittels des photoakustischen Effektes die CO₂-Konzentration bei Anwesenheit von weiteren das CO₂-Laserlicht absorbierenden Fremdgasen in Luft oder Stickstoff zu ermitteln, ist auch schon in der Patentanmeldung DE 689 07 911 T2 erörtert worden. Das dieser Problematik zugrundeliegende Phänomen wird, wie schon oben angesprochen, als "kinetische Kühlung" bezeichnet. Die kinetische Kühlung wird in der oben genannten Patentanmeldung und in der dort zitierten Literatur ausgiebig erörtert und tritt nicht nur in Zusammenhang mit CO₂ in Luft oder Stickstoff auf. Unter dem Begriff der kinetischen Kühlung versteht man folgenden Effekt: Werden Moleküle oder Atome mit Licht, insbesondere Laserlicht bestrahlt, welches von diesen zumindest teilweise absorbiert wird, so werden diese von dem Laserlicht angeregt und somit in einen energetisch höherliegenden Zustand angehoben. Aus diesem angeregten Zustand kehren die Moleküle oder Atome nach einer bestimmten Zeit - der Relaxationszeit – wieder in den ursprünglichen Zustand zurück. Hierbei wird Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Diese an die Umgebung abgegebene Wärme führt zu einer Druckänderung (Druckanstieg), welche mittels eines Drucksensors, sofern der Laserstrahl gepulst wird, ermittelt werden kann (photoakustischer Effekt). Für bestimmte Moleküle, etwa CO₂ und N₂ liegt die Situation vor, dass das durch das Laserlicht angeregte Energieniveau (II) des einen Moleküls A (CO₂) nahezu die identische Energie besitzt wie ein angeregter Energiezustand des zweiten Moleküls B (N₂), welches das Laserlicht nicht absorbiert. In diesem Fall kann die aufgenommene Energie des Moleküls A schnell an das Molekül B abgegeben werden. Wird das Molekül A nun nicht von einem Grundzustand (0) aus in diesen angeregten Zustand (II) durch Absorption von Photonen gebracht, sondern von einem thermisch besetzten angeregten Zustand (I) aus in das Energieniveau (II) angehoben, so wird nicht die Energiedifferenz zwischen Energieniveau (I) und (II) an das Molekül B übertragen, sondern die Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand (0) und dem Energieniveau (II) an das Molekül B abgegeben. Für den Fall das ein CO₂-Molekül das CO₂-Laserlicht absorbiert, ist diese an das Stickstoffmolekül abgegebene Energiemenge mehr als doppelt so groß wie die von einem Photon beim Übergang von Energieniveau (I) nach (II) aufgenommene Energiemenge. Da das Molekül nach Abgabe der Energie nun nicht mehr im angeregten Zustand (I) vorliegt, ist das thermische Gleichgewicht gestört. Dieses stellt sich aber sehr schnell beispielsweise durch Übertragung von Translationsenergie an das Molekül A wieder ein und es tritt eine kurzzeitige Abkühlung (Druckabfall) ein.

Je nach Gaszusammensetzung kann somit der durch den Effekt der kinetischen Kühlung bewirkte Druckabfall, den von anderen Fremdgasen bewirkten Druckanstieg teilweise oder sogar ganz kompensieren oder gar überkompensieren.

In der Patentanmeldung DE 689 07 911 T2 wird nun vorgeschlagen, dass dem zu analysierenden Gas ein weiteres Gas (N₂) zugesetzt wird (sofern dieses nicht schon enthalten ist, etwa wenn Luft untersucht wird), so dass der Effekt der kinetischen Kühlung auftritt und durch ein definiertes Durchstimmen der Laserfrequenz aus dem Phasenverlauf des gemessenen photoakustischen Signals der CO₂-Anteil des zu untersuchenden Gases bestimmt werden kann. Hierzu sind sehr aufwendige und anfällige Laser notwendig, was diese Art der Bestimmung des CO₂-Anteils in einem zu analysierenden Gas zu kompliziert und zu teuer für einen industriellen Einsatz macht.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der Eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die in einem zu analysierenden Gas enthaltenen, das verwendete Laserlicht absorbierenden Gase, Fremdgase oder Verunreinigungen mittels des photoakustischen Effektes auch bei Auftreten des Effekt der kinetischen Kühlung ohne teure und aufwendige Laser und Auswerteeinrichtungen mit einfachen Mitteln eindeutig detektiert und sicher quantifiziert werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der Effekt der kinetischen Kühlung nur auftreten kann, wenn die das Laserlicht (etwa das Licht eines CO₂-Lasers) absorbierenden Moleküle (z.B. CO₂) genügend Zeit haben, die durch Absorption von Photonen aufgenommene Energie an, im zu analysierenden Gasgemisch enthaltene, zum Zustandekommen des Effekts der kinetischen Kühlung notwendigen Moleküle (z.B. N₂) abgeben zu können. Dieses kann dadurch unterbunden werden, dass dem zu untersuchenden Gasgemisch eine definierte Menge Analysengas (z.B. H₂O oder H₂) zugesetzt wird, welches die angeregten Moleküle (z.B. CO₂) extrem effektiv und damit schnell wieder in den ursprünglichen Zustand abregt und diese somit keine Energie an die, zum Zustandekommen des Effektes der kinetischen Kühlung notwendigen Moleküle wie etwa N₂ abgeben können. Da die zugegebene Menge Analysengas bekannt ist und wenn das verwendete Analysengas das eingesetzte Laserlicht nur sehr schwach oder gar nicht absorbieren kann, kann der Anteil der das Laserlicht absorbierenden Moleküle wie etwa CO₂ und der Anteil der weiteren das Laserlicht absorbierenden Fremdgase oder Verunreinigungen eindeutig mittels des photoakustischen Effektes erkannt und auch quantifiziert werden.

Vorteilhafterweise wird das photoakustischen Signal (5) als Maß für die im zu analysierenden Gasgemisch absorbierte Energie herangezogen. Dieses ist für den Eingangs diskutierten Anwendungsfall der Strahlführung in CO₂-Laserbearbeitungsanlagen eine wichtige Größe, da mit Kenntnis der im Schutzgas des Strahlführungssystems absorbierten Energie (sofern der Effekt der kinetischen Kühlung im Schutzgas des Strahlführungssystems nicht auftritt) festgelegt werden kann, ob das Schutzgas noch hinreichend rein (frei von das Laserlicht absorbierenden Fremdgasen oder Verunreinigungen ist oder nicht) ist. Man hat dann also die Möglichkeit mit Hilfe der Größe "im Schutzgas absorbierte Energie" die durch das Strahlführungssystem durchströmende Menge an Schutzgas definiert so nachregeln zu können, dass die benötigte Schutzgasmenge minimal wird. Hierdurch können die Kosten für das verwendete Schutzgas drastisch gesenkt werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das photoakustische Signal (5), und/oder dessen Amplitude und/oder dessen Signalform als Maß für die Konzentration der im zu analysierenden Gasgemisch enthaltenen, das Laserlicht absorbierenden Gase oder Verunreinigungen ausgewertet wird. Hierzu kann das in der Patentanmeldung DE 196 00 443 A1 beschriebene photoakustische Gasnachweisverfahren verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Konzentration des, den Effekt der kinetische Kühlung unterbindenden Analysengases in meh reren Schritten oder kontinuierlich im zu analysierenden Gasgemisch so definiert durch Zugabe des Analysengases über eine Einrichtung (10) erhöht wird, dass aus der Abnahme des Effektes der kinetischen Kühlung mit zunehmender Analysengas-Konzentration im zu analysierenden Gasgemisch die Konzentration des am Effekt der kinetischen Kühlung beteiligten, das Laserlicht absorbierenden Gases, vorzugsweise die Konzentration an CO₂ im zu analysierenden Gasgemisch bestimmt werden kann. Für den Eingangs diskutierten Fall der Strahlführungen in CO₂-Laserbearbeitungsanlagen kann beispielsweise das Analysengas schon mit dem Schutzgas in die Strahlführung verbracht werden, um so den Effekt der kinetischen Kühlung sicher im Schutzgas von Strahlführungssystemen ausschließen zu können. Dieses hat den Vorteil, dass Fremdgase und/oder Verunreinigungen nie zu einer lokalen Abkühlung des Schutzgases führen können und der Effekt von diesen Fremdgasen und/oder Verunreinigungen immer eine Erwärmung des Schutzgases ist. Erst hierdurch wird es möglich einen Einfluss der im Schutzgas enthaltenen, das Laserlicht absorbierenden Gase und/oder Fremdgase und/oder Verunreinigungen auf die Abbildungseigenschaften des Strahlführungssystems und damit auf die Strahlqualität des eingesetzten CO₂-Lasers eindeutig bestimmen zu können. Für diesen Anwendungsfall eignen sich besonders die Analysengase Wasserstoff und/oder Formiergas (Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff) und/oder Wasserdampf (H₂O) und/oder eine Mischung dieser Gase mit Luft und/oder Argon und/oder Helium. Vorzugsweise wird die Konzentration der Analysengase im zu analysierenden Gasgemisch und/oder Schutzgas wie folgt gewählt: Der Partialdruck von H₂O zwischen 2 hPa (2 mbar) und 40 hPa, vorzugsweise 5 hPa; der Partialdruck von Wasserstoff zwischen 2 hPa und 300 hPa, vorzugsweise 50 hPa. Die Zugabe des Analysengases zum Schutzgas eines Strahlführungssystems kann über dieselbe oder eine analog ausgebildete, aber entsprechend in den Dimensionen angepasste Einrichtung (10) erfolgen wie sie im Zusammenhang mit den Anordnungsansprüchen noch näher ausgeführt wird.

Der Partialdruck des dem Schutzgas (z.B. N₂ oder Luft) zugegebenen Analysegases (z.B. H₂O oder H₂) kann immer so nachgeregelt werden, dass die im Schutzgas absorbierte Energie minimal wird, aber gleichzeitig der Effekt der kinetischen Kühlung sicher unterdrückt wird. Ein sicheres Unterdrücken des Effektes der kinetischen Kühlung ist dann gegeben, wenn mehr als 95% der von den absorbierenden Molekülen die zum Effekt der kinetischen Kühlung beitragen (z.B. CO₂) über die Moleküle des zugegebenen Analysegases (H₂O oder H₂) wieder abgeregt werden und nur noch weniger als 5% zur kinetischen Kühlung beitragen können. Das Auftreten einer kinetischen Kühlung des verwendeten Schutzgases kann somit eindeutig analysiert werden und der Analysegasanteil entsprechend nachgeregelt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das dem zu analysierenden Gasgemisch oder Schutzgas zugegebene Analysegas das Laserlicht nicht oder nur sehr schwach absorbiert. Dieses ist bei CO₂-Laserlicht vorzugsweise für H₂ und H₂O als Analysengas der Fall.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Analysegas nicht reines H₂O und reines H₂ verwendet wird, sondern das ein Gemisch mit Luft und/oder Stickstoff mit H₂O und/oder H₂ verwendet wird, insbesondere dass handelsübliches Formiergas (Mischung aus N₂ mit H₂ in unterschiedlichen Konzentrationen zwischen 4 % und 30 %) verwendet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das dem zu analysierenden Gasgemisch oder Schutzgas mittels der Einrichtung (10) zugegebene Analysegas H₂O dieser in flüssiger Form zugeführt wird und vorzugsweise aus einem Kühlwasserkreislauf entnommen wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das dem zu analysierenden Gasgemisch oder Schutzgas mittels der Einrichtung (10) zugegebene Analysegas über ein oder mehrere Dosierventile dem Gasgemisch in der gewünschten Konzentration zugegeben wird.

Die in dem Untersuchungsvolumen photoakustisch erzeugten Druckänderungen werden vorteilhafterweise mit einem beispielsweise als Mikrofon ausgebildeten Schallsensor (7) in elektrische Ausgangssignale (5) umgewandelt und/oder unter Bestimmung ihrer Intensität und/oder Signalform ausgewertet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das intensitätsmodulierte Analysewellenfeld dadurch erzeugt wird, dass als Strahlquelle ein Laser, vorzugsweise ein CO₂-Laser wenn CO₂ detektiert werden soll, verwendet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Analysewellenfeld durch ein Pulsen der Anregungsleistung der Strahlquelle oder durch periodisches Ausblenden vorzugsweise mittels eines mechanischen Unterbrecherrades in der Intensität moduliert wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Analyse eines Gasgemisches unter Berücksichtigung des Effektes der kinetischen Kühlung.
Bei der in 1 dargestellten Anordnung zur Gasanalyse eines Gasgemisches emittiert die als Laser ausgebildete Strahlquelle (11) das in der Intensität modulierte Analysewellenfeld (4) als kollimierten, leicht divergenten Laserstrahl. Vorzugsweise wird das Analysewellenfeld (4) dadurch in der Intensität moduliert, dass die Anregungsleistung der Strahlquelle (11) moduliert wird. Im Strahlengang des so modulierten Analysewellenfeldes (4) befindet sich die Nachweiskammer (3). Sie weist ein Ein- und Auslassfenster (1, 2), einen mit dem zu analysierenden Gasgemisch befüllbaren Innenraum (23) und einen im Innenraum angeordneten, als Mikrofon ausgebildeten Schallsensor (7) auf. Weiter ist im Innenraum (23) ein Drucksensor (6) und ein Analysengaskonzentrationssensor (8) angeordnet.
Die Nachweiskammer (3) ist mit einem Befüllventil (25) und einem Ausgangsventil (24) versehen. Sie kann mittels dieser Ventile mit dem auf Fremdgase oder Verunreinigungen hin zu analysierenden Gasgemisch befüllt werden und nach einer Analyse wieder geleert, evakuiert oder auch gespült werden, sowie schalldicht verschlossen werden. Die beim Durchstrahlen der Nachweiskammer (3) durch die in dem zu analysierenden Gasgemisch enthaltenen Fremdgase oder Verunreinigungen absorbierte Strahlenergie führt nach dem photoakustischen Effekt zu Temperaturänderungen und damit zu Druckschwankungen mit der durch die Modulationsfrequenz aufgeprägten Frequenz, die an dem Schallsensor 7 in elektrische Ausgangssignale umgewandelt werden können.
Das Befüllventil (25) der Nachweiskammer (3) ist über eine Leitung mit dem Auslassanschluss (21) der Einrichtung (10) zur Zugabe des Analysengases zu dem zu analysierenden Gasgemisch, sowie mit dem Bypassventil (22) verbunden. An dem Einlassventil (20) dieser Einrichtung (10) ist die Probenentnahmeleitung (30) angeschlossen. In dieser sind nacheinander ein T-Stück, ein Überdruckablassventil (18), eine Förderpumpe (16), vorzugsweise als kompakte Membranpumpe ausgeführt, ein Filter (17) und am Ende dieser die Anschlussöffnung der Probenentnahmeleitung (30) angeordnet. Über die Anschlussöffnung der Probenentnahmeleitung (30) wird das zu analysierende Gasgemisch an dem gewünschten Ort entnommen und für eine Analyse der Nachweiskammer (3) zugeführt. Über das T-Stück ist das Bypassventil (22) mit der Probenentnahmeleitung (30) verbunden.
Die Einrichtung (10) zur Zugabe des Analysengases zu dem zu analysierenden Gasgemisch enthält zwei, durch eine Trennmembran (14) voneinander getrennte Innenvolumen. Das Volumen (13) auf der Gasgemischseite durch das bei geöffnetem Einlassventil (20) das zu analysierende Gasgemisch in die Einrichtung (10) einströ men und über den Auslassanschluss (21) abströmen kann und das Volumen (12) auf der Analysengasseite der Trennmembran (14), dass das verwendete Analysengas aufnimmt.
Das Volumen (12) auf der Analysengasseite der Trennmembran (14) kann über die angebrachten Ventile (28,29) befüllt oder entleert oder evakuiert, oder durchspült, oder verschlossen werden. Weiter kann die Einrichtung (10) mittels einer Einrichtung (15), vorzugsweise elektrisch auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Dieses kann vorzugsweise mittels eines zu- und abschaltbaren Heizwiderstandes oder über Peltierelemente geschehen. Das Einregeln einer konstanten Temperatur der Einrichtung (10) ist insbesondere dann wichtig, wenn die Trennmembran (14), über die das Analysengas in das zu analysierende Gasgemisch vorzugsweise mittels Permeation oder Diffusion durch die Trennmembran gelangt, als dünne, auf einer porösen Stützmembran aufgebrachten Kunststofffolie, ausgeführt wird.
Mittels einer Einrichtung (9) zur Auswertung des photoakustischen Signals (5) unter Verwendung des von dem Drucksensor (6) gemessenen Druck und unter Verwendung des von dem Analysengaspartialdrucksensor (8) gemessenen Analysengaspartialdruck, können weiter sowohl der Betriebszustand der Strahlquelle (11) als auch alle anderen beschriebenen Komponenten angesteuert bzw. abgefragt werden.
Das Ausgangsventil (24) der Nachweiskammer kann, wenn diese evakuiert werden soll, über eine Leitung geeignet mit einer Vakuumpumpe verbunden werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Membranpumpe (16) ständig fördert, und das Überdruckablassventil (18) unmittelbar vor dem Einlassventil (20) der Einrichtung (10) angebracht ist, da dann sichergestellt ist, dass in der Probenentnahmeleitung (30) auch immer das zu analysierende Gasgemisch vorliegt und nicht durch ein Ausgasen von Komponenten verändertes Gasgemisch.
Die Analyse des zu analysierenden Gasgemisches auf Fremdgase und/oder Verunreinigungen hin wird wie folgt durchgeführt:

• Das Befüllventil (25), das Ausgangsventil (24) werden geöffnet und das Bypassventil (22) in Verbindung mit dem Einlassventil (20) so betrieben, dass sich in dem dann durch die Nachweiskammer strömenden Gasgemisch der gewünschte Analysengaspartialdruck einstellt. Dieser Zustand wird für einige Sekunden beibehalten um alle Komponenten hinreichend gut durchspülen zu können. Das Einstellen des Analysengaspartialdrucks kann vorzugsweise dadurch geschehen, dass der zu analysierende Gasstrom abwechselnd durch die Einrichtung (10) und über das Bypassventil an der Einrichtung (10) vorbei in die Nachweiskammer (3) geleitet wird;
• Nach Erreichen des gewünschten Partialdrucks des Analysengases wird das Befüllventil (25), das Ausgangsventil (24) das Bypassventil (22) und das Einlassventil (20) geschlossen. Soll das zu analysierende Gasgemisch nicht bei Atmosphärendruck sondern bei einem geringeren Druck analysiert werden, so wird bei geöffnetem Ausgangsventil (24) mittels einer geeignet angeschlossenen und/oder betriebenen Vakuumpumpe die Nachweiskammer auf den gewünschten Unterdruck evakuiert und nach Erreichen des Drucks das Ausgangsventil (24) geschlossen, der Ausgang des Ausgangsventil (24) wieder vom Eingang der Vakuumpumpe über ein Ventil getrennt und wieder mit der Umgebung verbunden;
• sodann wird nach einer kurzen Wartezeit, vorzugsweise ein bis zwei Sekunden, das Gasgemisch auf eventuell enthaltene Fremdgase oder Verunreinigungen hin analysiert.

Danach ist die Nachweiskammer wieder messbereit und der Vorgang kann wiederholt werden.

Claims

Verfahren zur Gasanalyse bei welchem ein zu analysierendes Gasgemisch in einem Untersuchungsvolumen (3) einem intensitätsmodulierten elektromagnetischen Analysewellenfeld (4) ausgesetzt wird, und dass bei der Absorption von Frequenzanteilen des Analysewellenfeldes (4) durch, in dem zu analysierenden Gasgemisch enthaltenen, absorbierenden Gase und/oder Verunreinigungen mittels des photoakustischen Effektes ein photoakustisches Signal (5) zur Erkennung der absorbierenden Gase und/oder Verunreinigungen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysegas dem zu analysierenden Gasgemisch zugegeben wird, welches den Effekt der kinetischen Kühlung vermindert oder vollständig unterdrückt, und damit das photoakustische Signal (5) als eindeutiges Maß für die in dem Untersuchungsvolumen (3) von den absorbierenden Gasen und/oder Verunreinigungen absorbierte Energie ausgewertet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das photoakustische Signal (5) als Maß für die in dem Untersuchungsvolumen (3) absorbierte Energie ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des photoakustische Signals (5) als Maß für die absorbierte Energie und/oder die Konzentration der absorbierenden Gase und/oder Verunreinigungen, vorzugsweise mittels dem in der Patentanmeldung DE 196 00 443 A1 beschriebenen photoakustischen Gasnachweisverfahren ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalform des photoakustische Signals (5) als Maß für die Konzentration der absorbierenden Gase und/oder Verunreinigungen, vorzugsweise mittels dem in der Patentanmeldung DE 196 00 443 A1 beschriebenen photoakustische Gasnachweisverfahren ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysegasanteil in dem zu analysierenden Gasgemisch in mehreren Schritten oder kontinuierlich erhöht wird und das photoakustische Signal (5) als Maß für die absorbierte Energie und/oder die Konzentration der absorbierenden Gase und/oder Verunreinigungen ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das photoakustische Signal (5) bei Atmosphärendruck und/oder bei erniedrigtem Druck -vorzugsweise bei einem Druck zwischen 10 mbar und 200 mbar ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysewellenfeld (4) von einer Strahlquelle (11) erzeugt wird und diese vorzugsweise als Laser ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysewellenfeld (4) durch vorzugsweise periodisches Pulsen der Anregungsleistung der Strahlquelle (11) intensitätsmoduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysenwellenfeld durch vorzugsweise periodisches Ausblenden intensitätsmoduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlquelle (11) ein CO₂-Laser und/oder als zu analysierendes Gasgemisch Luft und/oder Stickstoff und/oder Formiergas verwendet wird, und auf solche das Analysewellenfeld (4) absorbierenden Gase und/oder Fremdgase und/oder Verunreinigungen hin untersucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, das der CO₂-Anteil im zu analysierenden Gasgemisch bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysewellenfeld nur eine CO₂-Laserfrequenz enthält, vorzugsweise die P(22)-Linie im 10μm Bereich.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das photoakustische Signal (5) so mittels eines vorzugsweise als Mikrophon ausgebildeten Schallsensors (7) erzeugt wird, dass es den mittels des photoakustischen Effekts in dem Untersuchungsvolumen (3) erzeugten Druckänderungen proportional ist und unter Bestimmung der Intensität und/oder Amplitude und/oder Signalverlaufs ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Analysegas ein Gas verwendet wird, dass das Analysewellenfeld nicht oder nur sehr schwach absorbiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Analysegas H₂O und/oder Wasserstoff (H₂) und/oder eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff (Formiergas) und/oder eine Mischung aus Stickstoff und H₂O verwendet wird und/oder der Partialdruck von H₂O im zu analysierenden Gasgemisch auf einen Druck zwischen 2 hPa (2mbar) und 40 hPa eingestellt wird und/oder der Partialdruck von H₂ im zu analysierenden Gasgemisch auf einen Druck zwischen 2 hPa und 300 hPa eingestellt wird.
Verfahren zur Unterdrückung und/oder Analyse des Effektes der kinetischen Kühlung in optischen Abbildungs- und/oder Strahlführungssystemen, insbesondere in solchen die in CO₂-Laserbearbeitungsanlagen eingesetzt werden, bei welchen ein von einem elektromagnetischen Wellenfeld, insbesondere von dem zur Laserbearbeitung herangezogenen CO₂-Laserstrahl, durchstrahltes Volumen des optischen Abbildungssystems und/oder Strahlführungssystems mit einem die Frequenzanteile des elektromagnetischen Wellenfeldes nicht absorbierenden Schutzgas gefüllt und/oder durchspült wird, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise vor Verbringen des Schutzgases in das Strahlführungssystem, das Schutzgas mit einem Analysengas, vorzugsweise H₂O oder H₂, mittels einer Einrichtung (10) so angereichert wird, dass durch das zugegebene Analysengas der Effekt der kinetischen Kühlung vermindert oder komplett unterdrückt wird und/oder der Partialdruck des zugegebenen Analysengases im Schutzgas zwischen 2 hPa (2 mbar) und 300 hPa vorzugsweise 5 hPa oder 50 hPa beträgt und/oder die von im Schutzgas enthaltenen Verunreinigungen und/oder Fremdgase absorbierte Energie als eindeutiges Maß zur Beurteilung der Strahlqualität des optischen Abbildungs- und/oder Strahlführungssystems herangezogen wird und/oder das so präparierte Schutzgas als zu analysierendes Gasgemisch vorzugsweise nach dem in der Patentanmeldung DE 102 00 349 A1 oder nach dem in der Patentanmeldung DE 196 00 443 A1 beschriebenen Verfahren auf absorbierende Fremdgase und/oder Verunreinigungen hin analysiert wird.
Anordnung zur Gasanalyse, mit einer mit dem zu analysierenden Gasgemisch befüllbaren Nachweiskammer (3), mit einer Strahlquelle (11) zur Emission eines die Nachweiskammer (3) durchsetzenden intensitätsmodulierten elektromagnetischen Analysewellenfeldes (4) und einem in der Nachweiskammer (3) angeordneten Schallsensor (7) zur Erfassung von durch den photoakustischen Effekt erzeugten Druckschwankungen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10) die dem zu analysierenden Gasgemisch ein Analysegas zugibt, welches den Effekt der kinetischen Kühlung vermindert oder vollständig unterdrückt, so dass das von dem Schallsensor (7) erzeugte photoakustische Signal (5) als eindeutiges Maß für die in der Nachweiskammer (3) in dem zu analysierenden Gasgemisch absorbierten Energie ausgewertet werden kann.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Schallsensor (7) erzeugte photoakustische Signal (5) mittels einer Auswerteeinrichtung (9) analysiert wird.
Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Nachweiskammer mit einem Drucksensor (6) und die Konzentration und/oder der Partialdruck des dem zu analysierenden Gasgemisch zugegebenen Analysengas mit einem Analysengaspartialdrucksensor (8) bestimmt wird und/oder mittels der Auswerteeinrichtung (9) ausgewertet und/oder für die Bestimmung der in der Nachweiskammer (3) von dem zu analysierenden Gasgemisch absorbierten Energie herangezogen wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachweiskammer (3) mit einem Befüllventil (25) und einem Ausgangsventil (24) zum Verbringen und Entnehmen des zu analysierenden Gasgemisches in die Nachweiskammer (3) und zum Verschließen der Nachweiskammer, vorzugsweise für die Dauer der Detektion und/oder Auswertung der photoakustisch erzeugten Druckschwankungen, versehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zum Zugeben des Analysengases zu dem zu analysierenden Gasgemisch eine Trennmembran (14), vorzugsweise als, durch eine poröse Struktur gestützte, dünne Polyurethanfolie ausgeführt, enthält durch die das Analysengas definiert von der Analysengasseite (12) in das zu analysierende Gasgemisch auf der Gasgemischseite (13) der Trennmembran (14) gelangen kann.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zum Zugeben des Analysengases zu dem zu analysierenden Gasgemisch in der Nachweiskammer (3) integriert ist oder in der Probenentnahmeleitung (30), über die das zu analysierende Gasgemisch in die Nachweiskammer verbracht wird integriert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zum Zugeben des Analysengases zu dem zu analysierenden Gasgemisch so ausgeführt ist, dass das Analysengas in flüssiger Form auf der Analysengasseite (12) an der Trennmembran (14), vorzugsweise unter Druck stehend, ansteht und auf der Gasgemischseite (13) an der Trennmembran (14) das zu analysierende Gasgemisch vorbeiströmt oder ansteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysengasseite (12) so ausgeführt ist, dass diese Seite der Trennmembran nur für eine, vorzugsweise über die Auswerteeinheit (9) vorgegebene Zeit mit dem Analysengas beaufschlagt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmembran (14) auf der Analysengasseite (12) mit flüssigem H₂O beaufschlagt wird und auf der Gasgemischseite (13) der Trennmembran (14) das Gasgemisch N₂ oder Luft enthält und der CO₂ und/oder Fremdgasanteil und/oder H₂O-Partialdruck, unter Verwendung eines CO₂-Lasers als Strahlquelle (11), im Gasgemisch bestimmt wird.