DE102015116525A1

DE102015116525A1 - Messung der Geschwindigkeit eines Gasstroms unter Nutzung von Partikeln

Info

Publication number: DE102015116525A1
Application number: DE102015116525.2A
Authority: DE
Inventors: Daniele Angelosante; Deran Maas; Hannes Merbold; Hubert Brändle; Manish Gupta
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-03-30
Also published as: WO2017055234A1

Abstract

Gasanalysevorrichtung (1) zur Analyse eines Probegasstroms (2), der durch einen Probebereich (3) strömt, umfassend – eine Strahlungsquelle (4) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einem Strahlengang (5, 5a, 5b), der zumindest teilweise im Probebereich (3) liegt, sowie – einen Detektor (6, 61) zur Messung der Intensität I der Strahlung nach Transmission durch den Probebereich (3), wobei eine Auswerteeinheit (7), die aus dem Zeitverlauf I(t) der vom Detektor (6, 61) registrierten Intensität I die Geschwindigkeit v von im Probegasstrom (2) enthaltenen festen oder flüssigen Partikeln (8) zu ermitteln vermag. Ein korrespondierendes Verfahren zur Analyse eines Probegasstroms (2) mittels einer Gasanalysevorrichtung (1). Ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasanalysevorrichtung, die unter Nutzung der in einem Probegasstrom enthaltenen festen oder flüssigen Partikel die Geschwindigkeit des Probegasstroms zu ermitteln vermag.
In vielen industriellen Prozessen, insbesondere in der Chemie oder Petrochemie, ist es erforderlich, die Konzentration einer Gaskomponente in einem Probegasstrom in Echtzeit zu überwachen. Beispielsweise ist in Gas, das abzufackeln ist, der Sauerstoffgehalt zu überwachen. Bei der Reduktion von Stickoxyden ist der Ammoniakgehalt zu überwachen. Für derartige Messaufgaben kommt typischerweise eine Gasanalysevorrichtung auf der Basis der Laserabsorptionsspektroskopie zum Einsatz (tuneable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS). In einer derartigen Vorrichtung wird ein Diodenlaser auf eine Absorptionslinie der gesuchten Gaskomponente abgestimmt, und die Schwächung der Lichtintensität nach Transmission durch den Probebereich wird gemessen. Über das Beersche Absorptionsgesetz kann hieraus auf die Konzentration der gesuchten Gaskomponente zurückgerechnet werden.
Häufig ist es wünschenswert, neben der Konzentration einer Gaskomponente auch die Geschwindigkeit des Probegasstroms insgesamt zu überwachen. Für diese Geschwindigkeitsmessung kommt in herkömmlichen Gasanalysevorrichtungen ein zweiter Sensor zum Einsatz, der nach einem anderen physikalischen Messprinzip arbeitet.
Aus der EP 2 559 973 A1 ist eine Gasanalysevorrichtung bekannt, die aus dem Rauschen im Signal der Absorptionsmessung den Volumenstrom und damit die Geschwindigkeit des Probegasstroms zu ermitteln vermag. Nachteilig ist dies eine indirekte Messung, die mit verschiedenen Volumenströmen geeicht werden muss, bevor sie verlässliche Absolutwerte liefert.
Eine weitere Gasanalysevorrichtung ist aus der JP 2007 333 655 A bekannt.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, mit Hilfe der Laserabsorptionsspektroskopie eine genauere Absolutmessung der Geschwindigkeit einer Probegasströmung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasanalysevorrichtung gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt gemäß Nebenansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Gasanalysevorrichtung zur Analyse eines Probegasstroms, der durch einen Probebereich strömt, entwickelt. Diese Vorrichtung umfasst eine Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einem Strahlengang, der zumindest teilweise im Probebereich liegt, sowie einen Detektor zur Messung der Intensität I der Strahlung nach Transmission durch den Probebereich.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit, die aus dem Zeitverlauf I(t) der vom Detektor registrierten Intensität I die Geschwindigkeit v von im Probegasstrom enthaltenen festen oder flüssigen Partikeln zu ermitteln vermag.
Es ist in vielen industriellen Prozessen unvermeidlich, dass Prozessgasströme mit festen oder flüssigen Partikeln, wie beispielsweise Staub, beladen sind. Nach dem bisherigen Stand der Technik wurden diese Partikel lediglich als Störfaktor angesehen, der das Signal der Laserabsorptionsspektroskopie schwächt und/oder verfälscht. Die Erfinder haben erkannt, dass sich mit dem gleichen Messaufbau, mit dem die Konzentration einer Gaskomponente im Probegasstrom überwacht wird, zusätzlich simultan die Geschwindigkeit v der Partikel ermitteln lässt. Diese Geschwindigkeit v entspricht der Geschwindigkeit v des Probegasstroms. Die Partikel dienen somit als optischer Marker für eine direkte Messung der bislang nur auf indirektem Wege optisch messbaren Geschwindigkeit v des Probegasstroms.
Der Begriff der Auswerteeinheit ist ausdrücklich nicht darauf eingeschränkt, dass die Gasanalysevorrichtung nur eine einzige Auswerteeinheit enthält oder dass die gemäß der Erfindung vorgesehene Auswerteeinheit in physischer Nähe etwa zum Detektor oder zur Strahlungsquelle angeordnet ist. Damit die erfindungsgemäße Funktionalität realisiert werden kann, wird lediglich ein Zugang zur vom Detektor registrierten Intensität I benötigt. Es ist also beispielsweise möglich, dass die Intensität I von einer bestehenden Auswerteeinheit verarbeitet wird und zugleich einer weiteren Auswerteeinheit gemäß der Erfindung zugeführt wird. Diese Auswerteeinheit kann auch weit entfernt von der bestehenden Auswerteeinheit sitzen und die Intensität I über analoge oder digitale Datenkommunikation erhalten. Auf diese Weise ist es nicht zwingend notwendig, am Einbauort der Gasanalysevorrichtung für die Realisierung der Funktionalität gemäß der Erfindung zusätzlichen Platz vorzusehen oder diesen Einbauort überhaupt aufzusuchen. Gasanalysevorrichtungen können an vergleichsweise schwer zugänglichen Stellen in Industrieanlagen angebracht sein, beispielsweise am oberen Ende eines hohen Kamins.
Zur Messung der Geschwindigkeit v können insbesondere zwei unterschiedliche Effekte der Partikel genutzt werden. Zum Einen absorbieren die Partikel das Licht aus der Strahlungsquelle; wann immer ein Partikel und der Strahlengang sich beim Durchgang des Partikels durch den Strahlengang räumlich überlappen, nimmt also die vom Detektor registrierte Intensität für kurze Zeit ab. Zum Anderen wird das Licht aus der Strahlungsquelle an den Partikeln gestreut. Dies kann sich bei einem einfachen Intensitätsdetektor dann in einem Intensitätskontrast manifestieren, wenn ein Teil des Lichts aufgrund der Streuung den Detektor nicht mehr erreicht. Ist der Detektor positionssensitiv, kann er darauf ansprechen, dass das Licht aufgrund der Streuung an einem anderen Ort auf den Detektor auftrifft. Der Detektor kann dann insbesondere ein Intensitätssignal liefern, das sowohl von der Zeit als auch vom getroffenen Ort auf dem Detektor abhängig ist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Detektor daher positionssensitiv.
Der einfachste positionssensitive Detektor enthält nur zwei voneinander unterscheidbare Bereiche, in denen er jeweils die Lichtintensität zu registrieren vermag. Dies lässt sich beispielsweise sehr kostengünstig mit einem halben Quadrantendetektor realisieren. Je höher die Ortsauflösung des positionssensitiven Detektors ist, desto genauer ist das Messergebnis für die Geschwindigkeit v der Partikel und damit des Probegasstroms.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Detektor ein zweidimensionaler Bildsensor. Ein solcher Bildsensor ist beispielsweise in Form eines CCD-Detektors allgemein am Markt verfügbar. Die Verwendung eines Bildsensors bietet hierbei den zusätzlichen Vorteil, dass für die Signalaufbereitung auf etablierte Methoden der Bildverarbeitung und Bildanalyse zurückgegriffen werden kann. Insbesondere können Verfahren, die an sich für andere Zwecke entwickelt wurden, für die Messung der Geschwindigkeit v der Partikel adaptiert werden.
Als Kompromisslösung zwischen dem halben Quadrantendetektor und dem zweidimensionalen Bildsensor ist es beispielsweise auch denkbar, einen eindimensionalen Zeilensensor als positionssensitiven Detektor einzusetzen. Um die Sensitivität zu erhöhen, kann das Licht auf den Zeilendetektor fokussiert werden. Die Fokusierung erfolgt in einer Richtung senkrecht zur Achse des Zeilendetektors was sich beispielsweise mit Zylinderlinsen realisieren lässt.
Der optische Aufbau kann beispielsweise dem einer herkömmlichen Gasanalysevorrichtung nach dem „cross stack“-Prinzip entsprechen. Hierbei wird die Strahlung an einer Seite des Probebereichs in den Probegasstrom eingeleitet und an einer gegenüberliegenden Seite des Probebereichs aus dem Probegasstrom ausgekoppelt. Dieser Ansatz erfordert lediglich entsprechende Fenster in der Wandung des Probebereichs, ist also mit nur geringfügigen Änderungen in eine bestehende Industrieanlage integrierbar.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Strahlengang mindestens ein Spiegel angeordnet, der die Strahlung zurück in Richtung des Detektors wirft. Dabei kann der Detektor insbesondere im Bereich der Strahlungsquelle angeordnet sein. Bei dem Spiegel kann es sich insbesondere um einen Retroreflektor handeln, der die Strahlung, bevorzugt im Wesentlichen unabhängig von der Einfallsrichtung, in einer zur Einfallsrichtung im Wesentlichen parallelen Richtung zurückwirft. Die optische Weglänge der Strahlung durch den Probebereich lässt sich mit diesem Aufbau maximal verdoppeln. Weiterhin ist nur an einer Stelle am Außenumfang der Wandung des Probebereichs, welcher beispielsweise ein gasdurchströmtes Rohr sein kann, Platz für optische Aufbauten erforderlich.
Noch größere Vorteile kann der Aufbau mit einem Spiegel in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aufspielen, in der die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, eine Autokorrelation des Zeitverlaufs I(t) der vom Detektor gelieferten Intensität I zu ermitteln. Ein Beispiel für eine Autokorrelation ist die Funktion G(τ) nach folgender Vorschrift: G(τ) = ∫I(t)I(t + τ)dt
Wenn die Strahlung ausgehend von der Strahlungsquelle den Probebereich zweimal passiert, bis sie zum Detektor gelangt, wird entweder der Rückweg der Strahlung vom Spiegel zum Detektor in Richtung des Probegasstroms stromabwärts des Hinwegs von der Strahlungsquelle zum Spiegel liegen, oder es wird umgekehrt der Hinweg stromabwärts vom Rückweg liegen. In beiden Fällen beeinflussen viele der im Probegasstrom enthaltenen Partikel die Strahlung auf dem Weg von der Strahlungsquelle zum Detektor zu unterschiedlichen Zeitpunkten zweimal: einmal auf dem Hinweg und einmal auf dem Rückweg. Die Autokorrelationsfunktion des Zeitverlaufs I(t) der vom Detektor registrierten Intensität I ist von einem Zeitversatz τ abhängig und ist ein Maß dafür, wieviele Partikel, die den Strahlengang von der Strahlungsquelle zum Detektor zu einer bestimmten Zeit ein erstes Mal beeinflusst haben, dies genau nach Ablauf des Zeitversatzes τ ein zweites Mal tun.
Dementsprechend liegt das Maximum dieser Autorkorrelationsfunktion genau bei demjenigen Zeitversatz, innerhalb dessen die Partikel im Mittel die Strecke zwischen den Teilstrahlengängen zurücklegen, in denen der Hinweg und der Rückweg der Strahlung durch den Proberaum verlaufen. Da diese Strecke durch den optischen Aufbau vorgegeben und somit bekannt ist, ergibt sich aus dem Zeitversatz τ, bei dem das Maximum der Autokorrelationsfunktion liegt, unmittelbar die gesuchte Geschwindigkeit v der Partikel und damit des Probegasstroms.
Dabei hat die Auswertung über die Autokorrelationsfunktion den besonderen Vorteil, dass die von der absoluten Anzahl der Partikel unabhängig ist. Somit ist sie unempfindlich gegen Schwankungen der Partikelkonzentration in dem Probegasstrom. Da die Partikel in praktisch allen industriellen Anwendungen nicht bewusst in den Probegasstrom eingebracht werden, sondern dort unvermeidliche Verunreinigungen darstellen, ist die Partikelkonzentration nur schwer kontrollierbar beziehungsweise konstant zu halten.
Weiterhin kann die Auswerteeinheit dazu ausgebildet sein, den Zeitverlauf I(t) der vom Detektor registrierten Intensität I in ein Frequenzspektrum I(ω) umzuwandeln und die Geschwindigkeit v der Partikel aus diesem Frequenzspektrum I(ω) zu ermitteln, beispielsweise mit der Fourier-Transformation I(ω) = ∫I(t)exp(iωt)dt.
Diese Art der Auswertung ist besonders unempfindlich gegen Schwankungen der Intensität I der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung. Dies ist insbesondere in einer Gasanalysevorrichtung von Vorteil, in der die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, zusätzlich simultan auch die Konzentration C mindestens einer Gaskomponente des Probegasstroms aus dem Zeitverlauf I(t) der vom Detektor registrierten Intensität I zu ermitteln: Hierfür wird die Intensität I der Strahlung in der Regel bewusst zeitabhängig moduliert. Der verwendete Laser wird häufig mit einem sich rampenförmig ändernden Strom betrieben, wobei sich diese Rampen periodisch wiederholen. Im Frequenzspektrum I(ω) des Zeitverlaufs I(t) führt diese Modulation der Strahlungsintensität zum Auftreten von Frequenzkomponenten, die sich bei hinreichend schneller Geschwindigkeit v des Probegasstroms deutlich von den Frequenzkomponenten unterscheiden, die durch den Einfluss der Partikel auftreten.
Der Einfluss der Partikel führt zum Auftreten von zweierlei Frequenzkomponenten ω₁ und ω₂ im Frequenzspektrum I(ω). Die tiefere Frequenzkomponente ω₁ wird durch die Anzahl der Partikel dominiert, die sich pro Sekunde mit dem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor räumlich überlappen. Diese Komponente ω₁ wird also zu einer höheren Frequenz ω₁‘ verschoben, wenn entweder die gesuchte Geschwindigkeit v der Partikel oder ihre Konzentration im Probegasstrom erhöht wird. Daneben gibt es eine zweite, höhere Frequenzkomponente ω₂, die durch die Geschwindigkeit v dominiert wird, mit der jedes einzelne Partikel in den Strahlengang eintritt beziehungsweise aus ihm wieder austritt. Diese Frequenzkomponente ω₂ wird nur dann in ihrer Frequenz verschoben, wenn die Partikel schneller werden; eine bloße Erhöhung ihrer Konzentration erhöht nur die Amplitude der Frequenzkomponente ω₂ im Frequenzspektrum I(ω).
Nach dem zuvor Gesagten ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit neben der Geschwindigkeit der Partikel simultan auch die Konzentration mindestens einer Gaskomponente des Probegasstroms zu ermitteln vermag. Dabei können auch Synergieeffekte zwischen beiden Messungen ausgenutzt werden: Ist beispielsweise bekannt, dass die Partikel im Wesentlichen durch eine bestimmte Gaskomponente in den Probegasstrom eingetragen werden, so ist die Konzentration der Partikel mit der Konzentration dieser Gaskomponente in dem Probegasstrom korreliert. Dies kann ausgenutzt werden, um bei der Auswertung der Geschwindigkeit v der Partikel einen eventuellen Einfluss der Partikelkonzentration herauszukorrigieren. Beispielsweise kann dann die Auswertung der Geschwindigkeit v möglicherweise dahingehend vereinfacht werden, dass nicht das komplette Frequenzspektrum I(ω) bestimmt wird, sondern nur eine Komponente hiervon mit einer festen Frequenz ω.
Umgekehrt kann die erfindungsgemäße Messung der Geschwindigkeit v der Partikel auch genutzt werden, um die Messung der Konzentration mindestens einer Gaskomponente des Probengasstroms zu verbessern.
Beispielsweise kommt gerade dann, wenn der Probegasstrom Partikel enthält, in der Regel eine Spülvorrichtung zum Einsatz, die mindestens eine optische Fläche im Strahlengang von den Partikeln im Probegasstrom freihält. Eine solche Spülvorrichtung stellt sicher, dass die Gasanalysevorrichtung lange Zeit funktionsfähig bleibt und der überwachte Prozess nicht allzu oft angehalten werden muss, um die Innenseite von Fenstern zu reinigen.
Dabei verdrängt jedoch das Spülgas zwangsläufig aus einem Teil des Strahlengangs den eigentlichen Probegasstrom. Da sich das Spülgas von dem Probegasstrom unterscheidet, wird somit insgesamt die optische Weglänge entlang des Strahlengangs verkürzt. Da die Absorption der Strahlung auf dem Weg von der Strahlungsquelle zum Detektor von der optischen Weglänge abhängt, führt diese teilweise Verdrängung des Probegasstroms durch das Spülgas zu Ungenauigkeiten der gemessenen Konzentration einer gesuchten Gaskomponente in dem Probegasstrom. Diese Ungenauigkeit kann zumindest teilweise korrigiert werden, wenn das Verhältnis zwischen den Volumenströmen des Probegasstroms und des Spülgases bekannt ist. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn gemäß der Erfindung die Geschwindigkeit v und damit der Volumenstrom des Probegasstroms bekannt ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Strahlungsquelle frequenzvariabel. Jede Gaskomponente, deren Konzentration durch Laserabsorptionsspektroskopie überwachbar ist, hat charakteristische Absorptionsbänder. In einem Gemisch mehrerer Gase mag auf einer festen Frequenz ω die Absorption einer Gaskomponente dominierend sein, es können jedoch auch andere Gaskomponenten zugleich auf dieser Frequenz ω in nicht vernachlässigbarem Umfang absorbieren. Je größer der Wellenlängenbereich, in dem die Strahlungsquelle frequenzvariabel ist, desto eindeutiger lassen sich die Beiträge unterschiedlicher Gaskomponenten zur gemessenen Absorption voneinander trennen.
Die Auswertung der Geschwindigkeit v der Partikel durch positionssensitive Messung im Ortsraum einerseits und aus einem Frequenzspektrum I(ω) im Frequenzraum andererseits schließen sich ausdrücklich nicht gegenseitig aus. Vielmehr können sich beide Auswertungen gegenseitig ergänzen. Beispielsweise kann es bei der Auswertung der Geschwindigkeit v aus der Zeitdauer, für die ein jedes Partikel den Strahlengang beeinflusst, zu Mehrdeutigkeiten kommen, wenn die Größe der Partikel schwankt. Weiterhin kann es, wie zuvor beschrieben, bei der Auswertung des Frequenzspektrums Mehrdeutigkeiten geben, wenn die Konzentration der Partikel im Probegasstrom schwankt. Derartige Mehrdeutigkeiten können durch komplementäre Auswertung ein und desselben Zeitverlaufs I(t) der Intensität I mit unterschiedlichen Methoden aufgelöst werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erhält eine Steuerung oder Regelschleife für den Betrieb der Gasanalysevorrichtung die ermittelte Geschwindigkeit v der Partikel, und/oder eine hieraus abgeleitete Größe, als Eingabe.
Dann kann die neu gewonnene Information über die Geschwindigkeit v der Partikel unmittelbar dazu genutzt werden, die Leistung der Gasanalysevorrichtung als Ganzes zu verbessern.
Beispielsweise lässt sich der zuvor beschriebene Störeinfluss einer Spülvorrichtung deutlich verringern, indem die Spülgaszufuhr bedarfsgerecht abhängig von der Geschwindigkeit v der Partikel geregelt beziehungsweise gesteuert wird. Vorteilhaft ist also eine Steuerung oder Regelschleife vorgesehen, die den Spülgasstrom in Abhängigkeit der ermittelten Geschwindigkeit v der Partikel, beziehungsweise von der hieraus abgeleiteten Größe, anpasst.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung allgemein auch auf ein Verfahren zur Analyse eines Probegasstroms, der durch einen Probebereich strömt, mittels einer Gasanalysevorrichtung. Dabei wird elektromagnetische Strahlung aus einer Strahlungsquelle auf einem Strahlengang geführt, der zumindest teilweise im Probebereich liegt. Erfindungsgemäß wird aus dem Zeitverlauf I(t) der vom Detektor registrierten Intensität I die Geschwindigkeit v von im Probegasstrom enthaltenen festen oder flüssigen Partikeln ausgewertet. Dadurch werden die zuvor für die Gasanalysevorrichtung beschriebenen Vorteile erzielt.
Wie zuvor erläutert, wird vorteilhaft die Strahlung aus der Strahlungsquelle von mindestens einem Spiegel im Strahlengang zurück in Richtung des Detektors geworfen. Die Geschwindigkeit v der Partikel wird aus der Autokorrelation des Zeitverlaufs I(t) der vom Detektor registrierten Intensität I ausgewertet.
Vorteilhaft wird aus dem gleichen Zeitverlauf I(t) der vom Detektor registrierten Intensität I zusätzlich simultan auch die Konzentration C mindestens einer Gaskomponente des Probegasstroms ausgewertet.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit einem maschinenlesbaren Programm. Erfindungsgemäß handelt es sich hierbei um ein Programm, das, wenn es auf einem Computer oder Embedded-System ausgeführt wird, den Computer oder das Embedded-System in die Lage versetzt, als Auswerteeinheit in einer Gasanalysevorrichtung gemäß der Erfindung zu fungieren oder in einer Gasanalysevorrichtung das Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen.
Es wurde erkannt, dass sich viele Gasanalysevorrichtungen des Standes der Technik allein durch Austausch oder Abänderung der Auswerteeinheit in eine Gasanalysevorrichtung gemäß der Erfindung umrüsten lassen. Viele derartige Auswerteeinheiten beinhalten einen Computer oder ein Embedded-System, so dass die Funktionalität einer solchen Auswerteeinheit durch ein maschinenlesbares Programm festgelegt ist, das auf dem Computer oder Embedded-System ausgeführt wird. Die Auswerteeinheit kann die Funktionalität gemäß der Erfindung dann beispielsweise durch Austausch des herkömmlichen Programms gegen ein solches, in dem diese Funktionalität verkörpert ist, erlangen. Ein solcher Austausch kann beispielsweise über die üblichen Wege und Mechanismen bewerkstelligt werden, die für das Einspielen allfälliger Programmaktualisierungen an der Auswerteeinheit bzw. an der Gasanalysevorrichtung vorgesehen sind. Die Aufrüstung mit der Funktionalität der Erfindung kann dann beispielsweise als Download verkauft und vom Verwender der Gasanalysevorrichtung selbst per Fernwartung eingespielt werden.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
1 Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung 1 mit einfachem Intensitätsdetektor 6.
2 Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung 1 mit positionssensitivem Intensitätsdetektor 61.
3 Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung 1 mit Retroreflektor 9.
4 Schematische Darstellung eines Frequenzspektrums I(ω), das aus dem Zeitverlauf I(t) der vom Detektor 6, 61 registrierten Intensität I.
5 Verwendung der mit der erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung 1 gemessenen Geschwindigkeit v der Partikel 8 zur Steuerung eines Spülgasstroms 13.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung 1. Der Probegasstrom 2 strömt durch den Probebereich 3, der sich im Inneren einer Rohrleitung 100 erstreckt. In die Wandung der Rohrleitung 100 sind ein erstes Fenster 101 mit einer ersten Innenfläche 101a und, an der gegenüberliegenden Seite der Wandung, ein zweites Fenster 102 mit einer zweiten Innenfläche 102a eingesetzt. Aus der Strahlungsquelle 4 wird Licht durch das erste Fenster 101 in den Probebereich 3 eingekoppelt, den es auf einem Strahlengang 5 durchläuft. Das Fenster 101 ist hierbei als Kollimatorlinse wirksam und formt den Strahlengang 5 zu einem parallelen Strahlenbündel. Umgekehrt ist das Fenster 102 als Kondensorlinse wirksam und fokussiert den Strahlengang 5 außerhalb des Probebereichs 3 auf den Detektor 6, der hier als einfacher Intensitätsdetektor ausgebildet ist. Die Auswerteeinheit sendet Steuersignale 7a an die hier als durchstimmbarer Diodenlaser ausgebildete Strahlungsquelle 4, um diese in ihrer Frequenz ω durchzustimmen und in ihrer Intensität I zu modulieren. Die Auswerteeinheit 7 erhält zu jeder Zeit t die vom Detektor 6 registrierte Intensität I als Eingabe und verfügt somit über den vollständigen Zeitverlauf I(t) dieser Intensität I. Der Probegasstrom 2 enthält unter anderem eine Gaskomponente 2a, die hier schematisch nur in einem Teil des Probebereichs 3 eingezeichnet ist und deren Konzentration C aus der vom Detektor 6 registrierten Intensität I ausgewertet wird.
Ein hier in stark übertriebener Größe gezeigtes Partikel 8 schwächt durch Absorption und vor allem durch Streuung des Lichts im Strahlengang 5 vorübergehend die Intensität I des vom Detektor 6 registrierten Lichts. Aus der Frequenz ω und/oder der Dauer dieser Ereignisse wird gemäß der Erfindung die Geschwindigkeit v der Partikel 8, und damit des Probegasstroms 2, ausgewertet.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dahingehend abgeändert, dass der einfache Intensitätsdetektor 6 durch einen positionssensitiven Detektor 61 ersetzt wurde. Dadurch kann speziell der Einfluss von Streuung an einem Partikel 8 genauer ausgewertet werden. Wie in 2 schematisch angedeutet, erreicht das am Partikel 8 gestreute Licht nach wie vor den Detektor 61, trifft dort jedoch an einem anderen Ort auf als der ungestreute Anteil des Lichts im Strahlengang 5. Mit dem positionssensitiven Detektor 61 kann diese Änderung erfasst werden, während bei einem einfachen Intensitätsdetektor 6 mit gleicher Detektorfläche die erfasste Intensität I unverändert geblieben wäre.
In einer ersten Ausführungsform wird das Licht im wesentlichen auf einen Pixel des positionssensitiven Detektors 61 fokussiert. Dabei kann die Streuung durch Staubpartikel zur Detektion von Licht auf anderen Pixeln führen.
In einer zweiten Ausführungsform wird das Licht nicht auf einen Pixel fokussiert, sondern der Strahl wird auf einen Multipixeldetektor abgebildet. Staubteilchen führen dann zu einer Art Schattenwurf die mit dem Multipixeldetektor zeitlich und räumlich aufgelöst werden kann.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung 1, das sich speziell für die Auswertung der Geschwindigkeit v der Partikel 8 über die Autokorrelation eignet. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Fenster 101 und 102 auf derselben Seite der Rohrleitung 100 angeordnet. Auf den diesen Fenstern gegenüberliegenden Seite ist am Innenumfang der Rohrleitung 100 ein Retroreflektor 9 angeordnet. Das Licht aus der Strahlungsquelle 4 passiert den Proberaum 3 ein erstes Mal auf einem Strahlengang 5a, bevor es vom Retroreflektor 9 auf einem zweiten Strahlengang 5b zurück zum Detektor 6 geleitet wird. Dabei verlaufen die Strahlengänge 5a und 5b im Wesentlichen parallel zueinander. Beide Strahlengänge 5a und 5b bilden zusammen einen kompletten Strahlengang 5 von der Strahlungsquelle 4 zum Detektor 6.
Ein Partikel 8, das sich mit dem Probegasstrom 2 und somit mit der Geschwindigkeit v bewegt, beeinflusst den ersten Teilstrahlengang 5a, der von der Strahlungsquelle 4 zum Retroreflektor 9 führt, zu einem Zeitpunkt t, zu dem es sich erstmals räumlich mit diesem ersten Strahlengang 5a räumlich überlappt. Nachdem das Partikel 8 den Zwischenraum im Probebereich 3 zwischen den Teilstrahlengängen 5a und 5b durchquert hat, beeinflusst es zu einem Zeitpunkt t + τ den zweiten Teilstrahlengang 5b, der vom Retroreflektor 9 zurück zum Detektor 6 führt. Dieses Partikel 8 erhöht also den Funktionswert der Autokorrelationsfunktion für genau den Zeitversatz τ. Das Maximum der Autokorrelationsfunktion entspricht dem Zeitversatz τ, nach dem die meisten Partikel 8, die den ersten Teilstrahlengang 5a beeinflusst haben, auch den zweiten Teilstrahlengang 5b beeinflussen. Hieraus folgt mit dem bekannten Abstand zwischen den beiden Teilstrahlengängen 5a und 5b unmittelbar die gesuchte Geschwindigkeit v. In der schematischen Darstellung von 3 sind die Größen der Teilstrahlengänge 5a und 5b sowie des Partikels 8 stark übertrieben und der Abstand zwischen den Teilstrahlengängen 5a und 5b stark untertrieben eingezeichnet.
4 zeigt den Teil des Frequenzspektrums I(ω) des vom Detektor 6, 61 gelieferten Intensitätssignals I, der auf den Einfluss der Partikel 8 zurückgeht. Eine erste, tiefere Frequenzkomponente ω₁ ist sowohl auf die Gesamtanzahl und somit auf die Dichte (Konzentration) der Partikel 8 im Probegasstrom 2 sensitiv; ändern sich entweder die Geschwindigkeit v oder die Konzentration der Partikel 8, so verschiebt sich diese Komponente ω₁ zu einer höheren Frequenz ω₁‘. Daneben gibt es im Frequenzspektrum I(ω) eine zweite Frequenzkomponente ω₂, die primär darauf sensitiv ist, wie schnell dieses einzelne Partikel 8 auf die Lichtintensität I wirkt. Diese Frequenzkomponente verschiebt sich nur dann zu einer höheren Frequenz ω₂‘, wenn die Partikel 8 schneller werden. Es wäre auch möglich, den Laser für eine kurze Zeit in einen kontinuierlichen Betrieb zu schalten und so das Staubspektrum ohne superpositionierte Rampenmodulation zu messen.
5 verdeutlicht die Nutzung der erfindungsgemäß messbaren Geschwindigkeit v der Partikel 8 zur Optimierung der Gasanalysevorrichtung 1 insgesamt. Die Auswerteeinheit 7 gibt die ermittelte Geschwindigkeit v an eine Steuervorrichtung 10 weiter, die ein Ventil 12 an einer Spülgaszufuhr 11 steuert. Je nachdem, wie weit dieses Ventil 12 geöffnet ist, stellt sich um die Innenseite 101a des Fensters 101 ein mehr oder weniger starker Spülgasstrom 13 ein. Dieser Spülgasstrom 13 verdrängt in einem Gebiet 14 den Probegasstrom 2. Dadurch verringert sich in diesem Gebiet 14, insoweit es sich mit dem Strahlengang 5 überschneidet, der optische Weg durch den die Messkomponente enthaltenen Teil des Gases.
Je dünner das Gebiet 14 und je geringer damit diese Verkürzung der optischen Weglänge ist, desto genauer ist das mit der Vorrichtung 1 erzielte Messergebnis für die Konzentration einer Gaskomponente 2a durch Absorptionsspektroskopie. Idealerweise ist der Spülgasstrom 13 gerade so stark, dass sich noch keine Partikel 8 an der Innenseite 101a des Fensters 101 anlagern. Diese Stärke des Spülgasstroms 13 ist von der Geschwindigkeit v der Partikel abhängig und kann in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel bedarfsgerecht gesteuert werden.
Bezugszeichenliste

1: Gasanalysevorrichtung
2: Probegasstrom
2a: Gaskomponente im Probegasstrom 2
3: Probebereich
4: Strahlungsquelle
5: Strahlengang
5a: Einfallsrichtung der Strahlung von der Quelle 4 auf den Spiegel 9
5b: Rückweg der Strahlung vom Spiegel 9 zum Detektor 6
6: Detektor
61: zweidimensionaler Bildsensor als Detektor 6
7: Auswerteeinheit
7a: Steuersignale der Auswerteeinheit 7
8: Partikel
9: Spiegel
10: Steuerung oder Regelschleife für Betrieb der Vorrichtung 1
11: Spülgaszufuhr
12: Ventil der Spülgaszufuhr 11
13: Spülgasstrom
14: Gebiet, in dem Spülgas den Probegasstrom 2 verdrängt
100: Rohrleitung
101: erstes Fenster in Rohrleitung 100
101a: Innenfläche des Fensters 101
102: zweites Fenster in Rohrleitung 100
102a: Innenfläche des Fensters 102
C: Konzentration der Gaskomponente 2a
G(τ): Autokorrelationsfunktion
I: Intensität
I(t): Zeitverlauf der Intensität I
I(ω): aus dem Zeitverlauf I(t) gewonnenes Frequenzspektrum
t: Zeit
τ: Zeitversatz
V: Geschwindigkeit des Probegasstroms 2 und der Partikel 8
ω, ω₁, ω₂, ω₁’, ω₂’: Frequenzen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2559973 A1 [0004]
JP 2007333655 A [0005]

Claims

Gasanalysevorrichtung (1) zur Analyse eines Probegasstroms (2), der durch einen Probebereich (3) strömt, umfassend – eine Strahlungsquelle (4) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einem Strahlengang (5, 5a, 5b), der zumindest teilweise im Probebereich (3) liegt, sowie – einen Detektor (6, 61) zur Messung der Intensität I der Strahlung nach Transmission durch den Probebereich (3), gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (7), die aus dem Zeitverlauf I(t) der vom Detektor (6, 61) registrierten Intensität I die Geschwindigkeit v von im Probegasstrom (2) enthaltenen festen oder flüssigen Partikeln (8) zu ermitteln vermag.
Gasanalysevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (6, 61) positionssensitiv ist.
Gasanalysevorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (6, 61) ein zweidimensionaler Bildsensor (61) ist.
Gasanalysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang (5, 5a, 5b) mindestens ein Spiegel (9) angeordnet ist, der die Strahlung zurück in Richtung des Detektors (6, 61) wirft.
Gasanalysevorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (9) dazu ausgebildet ist, die Strahlung in einer zur Einfallsrichtung (5a) im Wesentlichen parallelen Richtung (5b) zurück in Richtung des Detektors (6, 61) zu werfen.
Gasanalysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) dazu ausgebildet ist, eine Autokorrelation des Zeitverlaufs I(t) der vom Detektor (6, 61) registrierten Intensität I zu ermitteln.
Gasanalysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) dazu ausgebildet ist, den Zeitverlauf I(t) der vom Detektor (6, 61) registrierten Intensität I in ein Frequenzspektrum I(ω) umzuwandeln und die Geschwindigkeit v der Partikel (8) aus diesem Frequenzspektrum I(ω) zu ermitteln.
Gasanalysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) dazu ausgebildet ist, aus dem Zeitverlauf I(t) der vom Detektor (6, 61) registrierten Intensität I zusätzlich simultan auch die Konzentration C mindestens einer Gaskomponente (2a) des Probegasstroms (2) zu ermitteln.
Gasanalysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (4) frequenzvariabel ist.
Gasanalysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelschleife (10) für den Betrieb der Gasanalysevorrichtung (1) die ermittelte Geschwindigkeit v der Partikel (8), und/oder eine hieraus abgeleitete Größe, als Eingabe erhält.
Gasanalysevorrichtung (1) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Steuerung oder Regelschleife (10), die einen Spülgasstrom (13), der mindestens eine optische Fläche (101a, 102a) im Strahlengang (5, 5a, 5b) von den Partikeln (8) im Probegasstrom (2) frei hält, in Abhängigkeit der ermittelten Geschwindigkeit v der Partikel (8), bzw. von der hieraus abgeleiteten Größe, anpasst.
Verfahren zur Analyse eines Probegasstroms (2), der durch einen Probebereich (3) strömt, mittels einer Gasanalysevorrichtung (1), wobei elektromagnetische Strahlung aus einer Strahlungsquelle (4) auf einem Strahlengang (5, 5a, 5b) geführt wird, der zumindest teilweise im Probebereich (3) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Zeitverlauf I(t) der vom Detektor (6, 61) registrierten Intensität I die Geschwindigkeit v von im Probegasstrom (2) enthaltenen festen oder flüssigen Partikeln (8) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung aus der Strahlungsquelle von mindestens einem Spiegel (9) im Strahlengang (5, 5a, 5b) zurück in Richtung des Detektors geworfen wird und dass die Geschwindigkeit v der Partikel (8) aus der Autokorrelation des Zeitverlaufs I(t) der vom Detektor (6, 61) registrierten Intensität I ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gleichen Zeitverlauf I(t) der vom Detektor (6, 61) registrierten Intensität I zusätzlich simultan auch die Konzentration C mindestens einer Gaskomponente (2a) des Probegasstroms (2) ausgewertet wird.
Computerprogrammprodukt mit einem maschinenlesbaren Programm, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm, wenn es auf einem Computer oder Embedded-System ausgeführt wird, den Computer oder das Embedded-System in die Lage versetzt, als Auswerteeinheit (7) in einer Gasanalysevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zu fungieren oder in einer Gasanalysevorrichtung (1) das Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14 auszuführen.