DE102010050626A1

DE102010050626A1 - Gasanalysatoreinrichtung mit einer Herriotzelle, sowie Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE102010050626A1
Application number: DE201010050626
Authority: DE
Inventors: Dr. Panella Barbara; Dr. Maas Deran; Dr. Brändle Hubert; Dr. Kappler Jürgen; Dr. Bleil Stefan; Stefan Filip
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-11-06
Also published as: DE102010050626B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasanalysatoreinrichtung mit einer Herriotzelle, sowie Verfahren zum Betrieb derselben, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9. Um hierbei zu erreichen, dass damit eine simultane Messung verschiedener Gaskomponenten in ein und derselben Einrichtung möglich ist, wobei die Gasanalysatoreinrichtung zugleich kompaktbauend sein soll, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass innerhalb eines mit Messgaseinlass versehenen Außenmantels eine innere, mit einem Messgasauslass versehene Küvette angeordnet ist, durch dessen Wandung durch Öffnungen oder Perforationen das Messgas weiterleitbar ist, dass eine erste Strahlungsquelle einen ersten Strahl (B1) durch Zentralöffnungen in den Spiegeln direkt und ablenkungs- und/oder reflexionsfrei einleit- bzw ausleitbar ist, undle seitlich exzentrisch zu einer der Spiegel derart in die Küvette einspeisbar ist, dass eine Mehrfachreflexion diesen Strahles innerhalb der messgasdurchströmten Küvette erfolgt ohne dabei den Strahlengang der ersten Strahlungsquelle zu kreuzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasanalysatoreinrichtung mit einer Herriotzelle, sowie Verfahren zum Betrieb derselben, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9.
Zur Gasanalyse werden vielfach und zuverlässig optische Verfahren eingesetzt, bei denen Licht einer Strahlungsquelle durch eine mit einem Gasgemisch mit Messgas durchströmten Küvette durchgeleitet wird. Entlang dieser Durchstrahlungsstrecke werden bestimmte spezifische gaskomponentenabhängige Absorptionen bewirkt. Diese wiederum werden mit einem Detektor erfasst, so dass aus dem Maß der Absorption bestimmter Wellenlängen auf das spezifische Messgas und die Konzentration der jeweiligen Messgaskomponente geschlossen werden kann. Bekannte Verfahren hierzu sind die non-dispersive-ultraviolet-spectroscopy, kurz NDUV genannt, non-dispersive-infrared-spectroscopy, kurz NDIR genannt, sowie bspw auch die Laserabsorptionsspektroskopie (TDLAS = tunable diode laser absorption spectroscopy). Darüber hinaus gibt es weitere Verfahren.
Die Spektroskopieeinrichtung soll für eine oder mehrere Spurenmessungen in Messgasen sensitiv sein. Ein Separieren einzelner Gaskomponenten zur Bestimmung der Einzelkonzentrationen ist bei den meisten Gaszusammensetzungen nicht oder nur unter hohem technischen Aufwand möglich. Es bietet sich daher an mehrere Gaskomponenten gleichzeitig in einem System zu messen. Um die Limitierungen, die sich durch die Verwendung eines Messverfahrens ergeben aufzuheben werden verschiedene Messverfahren in einem Analysator so kombiniert, dass sie simultan das gleiche Probevolumen untersuchen können. Da die verschiedenen Messverfahren zum Teil unterschiedliche optische Weglängen benötigen, kann der optische Pfad für oder mehrere Verfahren gefaltet werden.
Die Verwendung von Spiegeln zur Mehrfachreflexion des Strahles durch die Küvette führt zu einer Erhöhung des Messeffektes. Hierzu sind sogenannte Herriotzellen bekannt, bei welcher über die Anordnung von zwei spherischen Spiegeln eine solche Mehrfachreflexion erzielt wird.
Neben einer hohen Selektivität und Messgenauigkeit besteht eine Anforderung auch mit ein und derselben Messanordnung mehrere Gaskomponenten aus ein und derselben Gasprobe zu ermitteln. Hierzu bedarf es normalerweise einer Mehrfachanordnung von Gasanalyseeinrichtungen, sobald man die verschiedenen Gaskompenenten zeitgleich messen will.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugunde eine Gasanalysatoreinrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass damit eine simultane Messung verschiedener Gaskomponenten in ein und derselben Einrichtung möglich ist, wobei die Gasanalysatoreinrichtung zugleich kompaktbauend sein soll.
Die gestellte Aufgabe wird bei einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.
In Bezug auf ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichenden Merkmale des Anspruches 9 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahren sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Kern der einrichtungsgemäßen Erfindung ist, dass innerhalb eines mit Messgaseinlass versehenen Außenmantels eine innere, mit einem Messgasauslass versehene Küvette angeordnet ist, durch dessen Wandung durch Öffnungen oder Perforationen das Messgas weiterleitbar ist, dass eine erste Strahlungsquelle einen ersten Strahl (B1) durch Zentralöffnungen in den Spiegeln direkt und ablenkungs- und/oder reflexionsfrei einleit- bzw ausleitbar ist, und dass ein Strahl (B2) einer zweiten Strahlungsquelle seitlich exzentrisch zu einer der Spiegel derart in die Küvette einspeisbar ist, dass eine Mehrfachreflexion dieses Strahles innerhalb der messgasdurchströmten Küvette erfolgt, ohne dabei den Strahlengang der ersten Strahlungsquelle zu kreuzen. Auf diese Weise ist es möglich zwei verschiedene Messmethoden, und damit auch verschiedene Gaskomponentenmessungen innerhalb einer Küvette zeitgleich durchführen zu können.
Die Durchleitung des Messgases durch die Küvette erfolgt dadurch, dass nach Einlass des Messgases in das Außenrohr bzw durch den Außenmantel desselben, das Messgas durch die Küvette geleitet wird, indem die Küvette mit Perforationen versehen ist, und die Küvette außerdem den Gasauslass enthält an dem bspw eine Saugpumpe für die gewünschte und besagte Durchströmung sorgt.
Dabei ist wichtig, dass der spiegelzentrale Strahlengang der ersten zentralen Strahlungsquelle nicht von dem Strahl der zweiten Strahlungsquelle, die zwischen den Spiegeln seitlich exzentrisch eingestrahlt und mehrfach reflektiert wird, gekreuzt wird.
Die Mehrfachreflexionen des zweiten Strahles läuft damit kreuzungsfrei auf einer Art erlaubter Zylindermantelfläche um dem Zentralstrahl. Damit ist eine Störung beider Strahlen und damit beider Messmethoden ausgeschlossen und man kann somit zwei Messmethoden zu zwei Gaskomponenten innerhalb einer sehr kompakten Einrichtung zeitgleich messen.
In weiterer Ausgestaltung ist angegeben, dass die Strahlungsquelle des ersten Stahlenganges (B1) eine UV-Lichtquelle zur Durchführung der UV-Absorptionsspektroskopie ist, die mit einem Detektor hinter der Zentralöffnung der dem ersten strahlungsquellenseitigen Spiegel gegenüberliegenden Spiegel korrespondiert. Damit ist eine selektive genaue Messmethode kompakt mit implemetiert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Zentralöffnungen der Spiegel mit jeweils einem strahlungsdurchgängigen Fenster verschlossen sind. Die Fenster sogleich dort anzuordnen unterstützt die Bestrebung eine kompaktbauende Einrichtung zu erhalten.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die zweite Strahlungsquelle eine Laserlichtquelle zur Durchführung der Laserspektroskopie ist. Damit ist neben einer präzisen Gasanalysemethode auch physikalisch eine nach den erfindungsgemäßen Merkmalen leicht einstellbare Strahlungsquelle gegeben.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Laserlichtquelle in ihrer Strahlausrichtung mittels Verstellmitteln so einstellbar ist, dass zum einen eine Mehrfachreflexion zwischen den Spiegeln erfolgt und andererseits dabei der zentrale Strahlengang der UV-Lichtquelle nicht gekreuzt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass extrentrisch zu den Spiegelmittelpunkten außerhalb des UV-Licht-Strahlenganges ein Laserlichtdektor angeordnet ist, der nach Mehrfachreflexion mit der Laserlichtquelle korrespondiert.
Weiterhin vorteilhaft ist ausgestaltet, dass der Aussenmantel zumindest abschnittweise aus einem flexiblen Rohrabschnitt besteht.
Ebenso vorteilhaft ist es, dass jeder der beiden Spiegel jeweils auf einem Flansch angeordnet ist. Dies führt ebenso zu einer kompakten Bauform.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb einer Gasanalysatormesseinrichtung besteht der Kern der Erfindung darin, dass bei Implementierung einer zweiten Strahlungsquelle in dieselbe Küvette, einem gesonderten Kalibrierschritt die besagte zweite Strahlungsquelle mittels Verstellmitteln so eingestellt wird, dass der damit erzeugte Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln trotz Mehrfachreflexion den zentralen Strahlengang der ersten Strahlenquelle nicht schneidet, und mit einem ebenfalls exzentrisch angeordneten zweiten Detektor nach Mehrfachreflexion korrespondiert. Nur so ensteht eine wirklich kompakte zuverlässige simultane Mehrfachmessbarkeit verschiedener Gaskomponenten innerhalb ein und derselben Gasprobe.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Verstellmittel piezoelektrisch angesteuert werden. Auf diese Weise ist eine sehr genaue Einrichtung des zweiten Strahlenverlaufes in Erfüllung der oben genannten Bedingungen durch einen so durchgeführten Kalibrierschritt möglich.
Die Erfindung ist in einem Ausgestaltungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
Es zeigt:
1: Darstellung der Gasanalyseeinrichtung mit nicht kreuzenden 2 Strahlengängen
2: Aufbau der Gasanalyseeinrichtung im Übrigen
1 zeigt die Gasanalyseeinrichtung 1. Dabei ist ein Außenrohr oder ein Außenmantel 2 vorgesehen, der um eine innere perforierte Küvette 3 angeordnet ist. Der Außemantel 2 ist mit einem oder mehreren Messgaseinlässen 4 versehen. Die Einrichtung enthält zwei gegenüberliegende Spiegel 20 und 21, die auf Flanschen 7 und 8 angeordnet sind. Die Spiegel 20 und 21 sind mit zentralen Öffnungen versehen, die dahinter mit Fenstern verschlossen sind, und durch die der erste zentrale Strahlengang B1 angelegt ist. Dieser wird reflexionsfrei an einer Seite mittels Strahlungsquelle eingekoppelt und an der gegenüberliegenden Seite wieder ausgekoppelt. Die genaue Postion der Detektoren ist in der 2 weiter unten beschrieben. In 1 ist ebenfalls ein seitlich eingekoppelter Laserstahl B2 dargestellt, der exzentrisch durch einen der Spiegel eingeleitet wird. Dabei wird eine Mehrfachreflexion zwischen den Spiegeln in der Weise erzeugt, dass der um den zentralen Strahlengang B1 herum verlaufende Strahl B2 den Strahl B1 niemals kreuzt. Dieser Strahl B2 samt Mehrfachreflexion verläuft sozusagen um den zentralen Strahlengang B1 herum. So ist es möglich zwei Messmethoden in ein und dieselbe Küvette störungsfrei zu implementieren, und zeitgleich zwei Messmethoden und damit zwei Gasanalysen zu betreiben.
Der Messgasauslass 11 ist dabei in der Küvette, so dass eine dort angeschlossene Saugpumpe das Messgas durch den Messgaseinlass 4 und über die Perforationen in die Küvette 3 und von dort in den Gasauslass saugt. 2 zeigt nochmals weitere Details der Gasanalyseeinrichtung. An einer Seite ist die Laserlichtquelle 40 zur Erzeugung des Strahles B2 angeordnet. Über ein Spiegelsystem wird dies letztendlich dann in der oben beschriebenen Weise in die Küvette eingeleitet. Auf der gegenüberliegenden Seite ist eine UV-Lichtquelle 30 platziert, der den zentralen Strahlengang B1 erzeugt. Gegenüberliegend ist ein entsprechender UV-Detektor 31 angeordnet. Ein weiterer Referenzdetektor 32 ist über einen Strahlenteilen in diesen Strahlengang B1 angekoppelt.
Der Infrarotdetektor 41 ist so platziert, dass er ebenfalls exzentrisch in Bezug auf die Spiegelzentralachsen die auskoppelte Strahlung B2 detektiert.
Insgesamt ist die Mess- oder Gasanalyseeinrichtung somit bei gleichzeitiger Implementierung zweier Messmethode sehr kompaktbauend und effektiv.

Claims

Gasanalysatoreinrichtung mit Strahlungsquelle, Detektor, bei welcher zwischen Strahlungsquelle und Detektor die vom Messgas durchströmte Absorptionstrecke nach Art einer Herriotzelle an den Enden mit spherischen Spiegel versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Außenmantels eine innere Küvette angeordnet ist, durch dessen Wandung durch Öffnungen oder Perforationen das Messgas weiterleitbar ist, dass eine erste Strahlungsquelle einen ersten Strahl (B1) durch Zentralöffnungen in den Spiegeln direkt und ablenkungs- und/oder reflexionsfrei einleit- bzw ausleitbar ist, und dass ein Strahl (B2) einer zweiten Strahlungsquelle seitlich exzentrisch zu einer der Spiegel derart in die Küvette einspeisbar ist, dass eine Mehrfachreflexion diesen Strahles innerhalb der messgasdurchströmten Küvette erfolgt ohne dabei den Strahlengang der ersten Strahlungsquelle zu kreuzen.
Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle des ersten Stahlenganges (B1) eine UV-Lichtquelle zur Durchführung der UV-Absorptionsspektroskopie ist, die mit einem Detektor hinter der Zentralöffnung der dem ersten strahlungsquellenseitigen Spiegel gegenüberliegenden Spiegel korrespondiert.
Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralöffnungen der Spiegel mit jeweils einem strahlungsdurchgängigen Fenster verschlossen sind.
Gasanalysatoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlungsquelle eine Laserlichtquelle zur Durchführung der Laserspektroskopie ist.
Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Laserlichtquelle in ihrer Strahlausrichtung mittels Verstellmitteln so einstellbar ist, dass zum einen eine Mehrfachreflexion zwischen den Spiegeln erfolgt und andererseits dabei der zentrale Strahlengang der UV-Lichtquelle nicht gekreuzt wird.
Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass extrentrisch zu den Spiegelmittelpunkten außerhalb des UV-Licht-Strahlenganges ein Laserlichtdektor angeordnet ist, der nach Mehrfachreflexion mit der Laserlichtquelle korrespondiert.
Gasanalysatoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenmantel zumindest abschnittweise aus einem flexiblen Rohrabschnitt besteht.
Gasanalysatoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Spiegel jeweils auf einem Flansch angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Gasanalysatormesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit Strahlungsquelle, Detektor, bei welcher zwischen Strahlungsquelle und Detektor die vom Messgas durchströmte Absorptionstrecke nach Art einer Herriotzelle an den Enden mit spherischen Spiegel versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei Implementierung einer zweiten Strahlungsquelle in dieselbe Küvette, einem gesonderten Kalibrierschritt die besagte zweite Strahlungsquelle mittels Verstellmitteln so eingestellt wird, dass der damit erzeugte Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln trotz Mehrfachreflexion den zentralen Strahlengang der ersten Strahlenquelle nicht schneidet, und mit einem ebenfalls exzentrisch angeordneten zweiten Detektor nach Mehrfachreflexion korrespondiert.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmittel piezoelektrisch angesteuert werden.