DE102008027666A1

DE102008027666A1 - Modulare optische Langwegzelle

Info

Publication number: DE102008027666A1
Application number: DE200810027666
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Nägele; Martin Dr. Nägele
Original assignee: OPTOPREC GmbH; OPTOPRECISION GmbH
Current assignee: OPTOPREC GmbH; OPTOPRECISION GmbH
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2009-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine modulare optische Langwegzelle zur Untersuchung darin befindlicher Fluide. Im Gegensatz zu den bisher verfügbaren Langwegzellen zeichnet sich dieser Zellentyp durch eine modulare Bauweise aus, die eine Revision der Spiegel ohne nachfolgende Neujustage des gesamten optischen Strahlengangs ermöglicht. Diese Möglichkeit der Reinigung in Kombination mit der Erhaltung der optischen Justage nach dem erneuten Zusammenbau ist ein sehr wichtiger Aspekt für den Betrieb derartiger Zellen.

Description

Technisches Umfeld
Die Erfindung liegt im Bereich der optischen Fluidanalyse, bei der das zu analysierende Fluid aus einem Prozessstrom oder einem anderen Überwachungsraum extrahiert und zur optischen Analyse durch eine Messzelle geleitet wird. In dieser Zelle wird das Fluid bevorzugt mittels Laserspektroskopie analysiert und beispielsweise eine Konzentration einer darin enthaltenen Komponente ermittelt. Die Erfindung beschreibt eine modulare Messzelle, die trotz einer langen optischen Wegstrecke zerlegbar ist, um im Servicefall die optischen Komponenten einfach reinigen oder ersetzen zu können.
Bisher sind verschiedene optische Langwegzellen bekannt, deren gemeinsames Prinzip das mehrfache Reflektieren eines Laserstrahls ist, um so in einem möglichst kleinen geometrischen Volumen eine möglichst lange Absorptionsstrecke zu realisieren. Insbesondere sind Zellen vom Type ”White” und ”Herriott” gebräuchlich. Sie unterscheiden sich in der Art und Anordnung der Spiegel. Dabei werden die Spiegel beim Herstellungsprozess der Zelle justiert und anschliessend z. B. mittels Klebung dauerhaft fixiert, so dass sie sich im späteren Betrieb nicht verstellen können.
Offenbarung der Erfindung
Technisches Problem
Die Aufgabenstellung bei der Auslegung einer Messzelle für den spektroskopischen Gebrauch ist primär die Realisation einer optischen Absorptionsstrecke (typischerweise einige Meter) bei gleichzeitig möglichst kleinen mechanischen Abmessungen (geometrisches Volumen), um die benötigte Fluidmenge zum Füllen des Volumens bzw. die Zeitdauer zum Austausch des Fluidvolumens möglichst gering zu halten. Ferner ist die mechanische Stabilität bei einer möglichst kleinen Messzelle entsprechend höher. Ein weiteres, oft vernachlässigtes Merkmal der Zelle sollte eine gute Servicefreundlichkeit sein. D. h. die durch den Betrieb der Zelle einer Alterung unterliegenden Komponenten, insbesondere die optischen Reflektoren (Spiegel) sollten gereinigt oder ausgetauscht werden können, ohne dass die gesamte Zelle zu erneuern ist. Dies ist jedoch bisher mit der hohen Präzision der optischen Justage nicht vereinbar gewesen, da bei einem Verändern/Austauschen der Spiegel die Justage verloren ging.
Technische Lösung
Zur Realisation der langen optischen Wegstrecke wird auf das bewährte Prinzip der Herriott-Zelle zurückgegriffen, bei dem die Laserstrahlen zwischen zwei Hohlspiegel hin- und her reflektiert werden. Diese Spiegel werden bei der Herstellung der Zelle in Spiegelaufnahmen fixiert (z. B. geklebt), die Spiegel mit Spiegelaufnahme justiert und jeweils an einem Haltering dauerhaft fixiert (z. B. verschweißt), der seinerseits an dem Grundkörper der Zelle befestigt ist. Diese Befestigung ist im Servicefall lösbar, so dass die Spiegel mit Spiegelaufnahme und Haltering abgenommen und beispielsweise gereinigt werden können. Beim erneuten Montieren der Spiegel werden die Halteringe durch entsprechende Passungen wieder exakt in ihre ursprüngliche Ausgangslage gebracht, so dass die optische Justage der Zelle im Idealfall unverändert bleibt.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
Bild 1 zeigt exemplarisch die Sprengzeichung einer Zellenkonstruktion, bei der die Hohlspiegel rechts und links am Ende des rechteckigen Zellengrundkörpers nach dem oben genannten Verfahren montiert sind. Eine vergrösserte Ansicht der Spiegelaufnahme in Bild 2 zeigt die einzelnen Komponenten der hier beschriebenen Erfindung.
Die beste Art und Weise, die Erfindung auszunutzen
Wie in Bild 2 gut zu sehen ist, können die Spiegel zur Reinigung einfach durch lösen der Halteringe (7) abgenommen werden. Bei der anschliessenden Montage werden die Ringe durch die Passungsstifte (504) wieder in ihre ursprüngliche Position gebracht, was die optische Justage der Langwegzelle im Wesentlichen erhält, d. h. die optische Weglange der Zelle ist unverändert und der oder die Laserstrahlen koppeln aus der Zelle wieder aus. Somit ist höchstens ein minimales Nachjustieren des Strahlengangs hinter der Messzelle erforderlich. Im Idealfall bleibt die optische Justage vollständig erhalten und ein Nachjustieren entfüllt gänzlich.
Diese Möglichkeit der Reinigung in Kombination mit der Erhaltung der optischen Justage nach dem erneuten Zusammenbau ist ein sehr wichtiger Aspekt für den Betrieb derartiger Zellen.
Ferner können die Spiegel auch ohne einen Austausch des Grundkörpers ersetzt werden, indem diese ebenfalls am Haltering abgenommen werden und durch neue, entsprechend vorjustierte Spiegel ersetzt werden, so dass die optische Gesamtjustage des Systems ebenfalls erhalten bleibt. Die Vorjustage der neuen Spiegel erfolgt dabei vorab beispielsweise vor dem Verbauen der Langwegzelle am gleichen Grundkörper, oder an einem baugleichen Grundkörper, der zusätzlich zur Verfügung steht.

Claims

Optische Langwegzelle zur Messung von Absorptionen von Fluiden (Gase und oder Flüssigkeiten) mittels eines oder mehrerer Laserstrahlen, die zwischen mindestens 2 Spiegeln hin und her reflektiert werden, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sich mindestens ein Spiegel demontieren lässt.
Langwegzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer erneuten Montage eines demontierten Spiegels durch eine mechanische Massnahme (z. B. eine oder mehrere Passungen) eine Passgenauigkeit erreicht wird, so dass die optische Justage der Langwegzelle im Wesentlichen erhalten bleibt.
Langwegzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein demontierter Spiegel durch einen anderen und vorjustierten Spiegel ersetzt werden kann und durch eine mechanische Massnahme (z. B. eine oder mehrere Passungen) eine Passgenauigkeit erreicht wird, so dass die optische Justage der Langwegzelle im Wesentlichen erhalten bleibt.
Verfahren zur Revision einer optischen Langwegzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spiegel demontiert und nach einem Revisionsprozess wieder montiert wird, wobei die optische Justage der Langwegzelle im Wesentlichen erhalten bleibt.
Verfahren zur Revision einer optischen Langwegzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spiegel demontiert und durch einen anderen vorjustierten Spiegel ersetzt wird, wobei die optische Justage der Langwegzelle im Wesentlichen erhalten bleibt.