-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zur Gasanalyse von in einem optisch transparenten Behälter enthaltenem Gas sowie ein Verfahren zur Gasanalyse.
-
Insbesondere in dem Gebiet der konzentrierenden Solarthermie ist es notwendig, in einem optisch transparenten Behälter enthaltenes Gas zu analysieren. Dies kommt zur Anwendung, wenn die Qualität von evakuierten Receiverrohren, die in flachen und linienfokussierenden Receiverkonstruktionen eingesetzt werden sollen, bewertet bzw. überprüft werden sollen, indem Restgas, das in den Receiverrohren enthalten ist, analysiert wird.
-
Zur Ermöglichung einer zerstörungsfreien Prüfmethode wurde daher ein Verfahren entwickelt, bei dem eine Elektrode an das Receiverrohr angelegt wird, wobei mittels eines Plasmagenerators eine elektromagnetische Welle im Mikrowellenbereich in den Ringspalt induziert wird. Durch die Anregung mittels der elektromagnetischen Welle wird das in dem Zylinder enthaltene Gas ionisiert, wodurch ein Plasma entsteht. Das Receiverrohr wird mittels einer Abschirmung gegenüber Umgebungslicht abgeschirmt. Mittels eines spektroskopischen Sensors wird das Spektrum des von dem Plasma ausgesendeten Lichts aufgenommen. Die aufgenommenen Werte geben Aufschluss über die molekulare Zusammensetzung des Gases, wobei ferner die Partialdrücke der unterschiedlichen molekularen Komponenten ermittelt werden können.
-
Es hat sich herausgestellt, dass das vorbekannte Verfahren insbesondere bei an Kraftwerken verbauten Receiverrohren aufgrund der unzureichenden Abschirmung des Umgebungslichts nur relativ ungenaue Ergebnisse produziert. Auch ist der bisher verwendete punktförmige Sensor aufgrund der großen Instabilität des Plasmas nur bedingt geeignet.
-
Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das vorgenannte Verfahren weiterzuentwickeln sowie ein entsprechendes Messsystem zur Verfügung zu stellen, bei dem die Aufnahme der Messwerte vereinfacht und die Qualität der Messwerte verbessert sind und darüber hinaus auch ein Einsatz bei Feldmessungen, d. h. beispielsweise an in Kraftwerken verbauten Receiverrohren, möglich ist.
-
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9.
-
Das erfindungsgemäße Messsystem zur Gasanalyse von in einem optisch transparenten Behälter enthaltenen Gas ist ein Plasmagenerator zur Erzeugung eines Plasmas aus dem Gas vorgesehen, wobei der Plasmagenerator eine elektromagnetische Quelle und eine erste Elektrode zur Einleitung von elektromagnetischen Wellen, vorzugsweise Mikrowellen, in das Gas aufweist, wobei die erste Elektrode außerhalb des optisch transparenten Behälters angeordnet ist, sowie eine zweite Elektrode, die in dem optisch transparenten Behälter angeordnet ist. Ferner weist das Messsystem einen Sensor zur Erfassung von elektromagnetischen Wellen aus dem UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich auf. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine spektrometrische Kamera mit mindestens 10 Spektralkanälen zur Aufnahme von spektral- und ortsaufgelösten Bildern im UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich ist.
-
Unter optisch transparentem Behälter wird im Rahmen der Erfindung ein Behälter verstanden, der in dem Bereich des UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich der elektromagnetischen Wellen eine Transmission von mindestens 80%, vorzugsweise von mindestens 90%, besitzt.
-
Durch die Ausgestaltung der spektrometrischen Kamera mit mindestens 10 Spektralkanälen kann das Wellenspektrum aufgelöst auf eine entsprechende Anzahl von Bändern aufgenommen werden. Die spektrometrische Kamera kann eine sogenannte multispektrale Kamera sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine deutlich höhere Anzahl von Spektralkanälen, beispielsweise 100 Kanäle, vorgesehen sind. Eine derartige Kamera wird auch als hyperspektrale Kamera bezeichnet.
-
Die Ausbildung des Sensors als spektrometrische Kamera hat den Vorteil, dass mittels der Kamera einerseits ein größerer Bereich des Plasmas ortsaufgelöst aufgenommen werden kann, so dass Fehler, die aufgrund instabilen Plasmas auftreten können, reduziert werden. Ferner können die mittels der spektrometrischen Kamera aufgenommenen Bilder über Ort und Zeit gemittelt werden, wodurch teilweise vorliegende Inhomogenitäten und Instationaritäten ausgeglichen oder analysiert werden können. Die Aufnahme von Bildern mittels einer spektrometrischen Kamera ermöglicht darüber hinaus, dass die somit aufgenommenen Messdaten über Bildverarbeitungsverfahren automatisch ausgewertet werden können. Auch ist es möglich, andere Fehlerquellen durch die auf diese Weise aufgenommenen Bilder auszuschließen. Beispielsweise kann Hintergrundlicht dadurch eliminiert werden, dass ein Bild bei dem ausgeschalteten Plasmagenerator erzeugt wird, das als Referenzbild dient und anschließend das oder die spektral- und ortsaufgelösten Bilder bei eingeschaltetem Plasmagenerator aufgenommen werden. Aus den somit erhaltenen Bildern kann mittels des Referenzbildes ein Differenzbild gebildet werden, das somit das vorliegende Hintergrundlicht weitestgehend nicht mehr enthält. Dadurch können die molekulare Zusammensetzung des Gases in dem Behälter und die dazugehörigen Partialdrücke in besonders vorteilhafter Weise bestimmt werden.
-
Der Plasmagenerator kann einen Hochspannungs-Transformator aufweisen, beispielsweise ein Tesla-Transformator.
-
Eine hohe Genauigkeit der Messdaten ist von besonderem Interesse, da das erfindungsgemäße Messsystem vorzugsweise bei Receiverrohren von solarthermischen Kraftwerken eingesetzt wird, die evakuiert sind. Über das Messsystem soll festgestellt werden, ob und in welchem Maße eine Permeation von Wasserstoff oder anderen Gasen in das Receiverrohr erfolgt ist. Das erfindungsgemäße Messsystem ist somit vorzugsweise an einem zylindrisch ausgebildeten Behälter aus Borosilikatglas einsetzbar. Die Ausbildung der spektrometrischen Kamera als hyperspektrale Kamera hat den Vorteil, dass eine derartige Kamera eine besonders hohe spektrale Auflösung hat, so dass die Messdaten in besonders vorteilhafter Weise ausgewertet werden können. Bei der Verwertung des Messsystems bei Receiverrohren kann das in dem Receiverrohr enthaltene metallische Absorberrohr als zweite Elektrode verwendet werden.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Elektrode den Behälter zumindest teilweise umgibt. Vorzugsweise ist die erste Elektrode spiralförmig oder rohrförmig, z. B. als Rohrschelle, ausgebildet. Die erste Elektrode kann auch als Halbrohr ausgebildet sein. Eine derartige Ausbildung der ersten Elektrode hat den Vorteil, dass der Behälter über einen breiten Bereich abgedeckt ist, so dass ein Plasma in einem größeren Volumenbereich des Behälters erzeugt wird. Dadurch können Bilder von einem größeren Bereich aufgenommen werden, was die Auswertung vereinfacht. Darüber hinaus ist eine derartig ausgebildete erste Elektrode in vorteilhafter Weise um einen zylindrischen Behälter anordenbar. Eine derartige erste Elektrode kann darüber hinaus die elektromagnetischen Wellen relativ gleichmäßig in das Gas einleiten. Bei der Verwendung des Messsystems mit einem Receiverrohr eines solarthermischen Kraftwerks kann dadurch erreicht werden, dass sich das Plasma gleichmäßig in dem zwischen dem transparenten Außenrohr und dem Absorberrohr befindlichen Spalt verteilen kann, ohne das Absorberrohr zu berühren. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode an dem transparenten Außenrohr anliegt. Dadurch können ”Leckagen” verhindert werden, wodurch Plasma in der Umgebungsluft entsteht. Der Plasmagenerator ist insbesondere in Bezug auf die Anzündung und Stabilisierung des Plasmas angepasst. Die in Form von Mikrowellen eingespeiste Leistung, die für die Anzündung und Stabilisierung des Plasmas notwendig ist, gibt bereits einen Hinweis auf den in dem Behälter herrschenden Gasdruck.
-
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Messsystem einen den Behälter zumindest teilweise umgebenden Abschirmungsbehälter auf. Mittels des Abschirmungsbehälters kann zumindest ein Teil des Hintergrundlichts während der Messung abgehalten werden.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Wandungen des Abschirmungsbehälters auf den dem Behälter zugewandten Flächen als schwarzer Körper ausgebildet sind. Unter „schwarze Körper” wird im Rahmen der Erfindung eine Oberfläche verstanden, die im UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich eine Emissivität von mindestens 90% aufweist. Durch derartige Wandungen wird erreicht, dass nur ein äußerst geringer Teil von auf die Wandungen treffender elektromagnetischer Strahlung, die von Plasma ausgeht oder als Hintergrundstrahlung in den Abschirmungsbehälter gelangt, reflektiert wird. Dadurch kann verhindert werden, dass von dem Plasma ausgehende elektromagnetische Strahlung von den Wandungen reflektiert wird und bei der Aufnahme miterfasst wird, wodurch das Messergebnis verfälscht werden könnte.
-
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abschirmungsbehälter einen Wandabschnitt aus einem für den UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich transparenten Material aufweist. Unter „transparentem Material” wird ein Material verstanden, das elektromagnetische Strahlung in dem genannten Bereich zu mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90%. Mittels des Wandabschnitts wird ermöglicht, dass die Aufnahme der spektral- und ortsaufgelösten Bilder über die spektrometrische Kamera von außerhalb des Abschirmungsbehälters erfolgen kann, indem die Aufnahme durch den Wandabschnitt hindurch erfolgt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass ein Wandabschnitt des Abschirmungsbehälters offen ist, und die spektrometrische Kamera durch den offenen Wandabschnitt die Aufnahmen anfertigt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kamera in dem Abschirmungsbehälter angeordnet ist, so dass der Abschirmungsbehälter vollständig verschlossen sein kann. Eine derartige Anordnung ist jedoch weitestgehend nur in Laborbedingungen möglich, da die Anordnung eines Abschirmungsbehälters im Feld (d. h. beispielsweise an in solarthermischen Kraftwerken verbauten Receiverrohren) nur mit großem Aufwand verwirklichbar ist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gasanalyse von in einem optisch transparenten Behälter enthaltenem Gas sieht folgende Schritte vor:
- – Anregung des Gases mittels elektromagnetischer Wellen zur Bildung eines Plasmas,
- – Erfassung von elektromagnetischen Wellen aus dem UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich, die von dem Plasma ausgehen.
-
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfassung der elektromagnetischen Wellen mindestens ein spektral- und ortsaufgelöstes Bild des Plasmas im UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich aufgenommen wird, und dass das mindestens eine spektral- und ortsaufgelöste Bild mittels eines Bildverarbeitungsverfahrens zur Ermittlung von lokalen Maxima im Wellenlängenverlauf der erfassten elektromagnetischen Wellen und deren Intensitäten ausgewertet wird.
-
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich das in dem optisch transparenten Behälter enthaltene Gas in vorteilhafter Weise analysieren. Die Erfassung der elektromagnetischen Wellen, die von dem Plasma ausgehen, über ein spektral- und ortsaufgelöstes Bild hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Ferner lässt sich dieses Bild in vorteilhafter Weise mittels eines automatischen Bildverarbeitungsverfahrens analysieren. Mittels der lokalen Maxima im Wellenlängenverlauf kann die molekulare Zusammensetzung des Gases in dem transparenten Behälter bestimmt werden. Die Intensitäten der lokalen Maxima geben Aufschluss über die Partialdrücke der molekularen Komponenten. Mittels der elektromagnetischen Wellen zur Erzeugung eines Plasmas, insbesondere Mikrowellen, muss eine bestimmte Leistung aufgebracht werden, um das Plasma zu zünden und aufrecht zu erhalten. Anhand dieser Leistung lässt sich der Gesamtgasdruck bestimmen.
-
Das spektral- und ortsaufgelöste Bild wird vorzugsweise über eine spektrometrische Kamera mit mindestens 10 Spektralkanälen, besonders bevorzugt über eine hyperspektrale Kamera, aufgenommen. Mittels derartiger Kameras lassen sich die gewünschten Bilder in besonders vorteilhafter Weise und sehr schnell aufnehmen.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mehrere spektral- und ortsaufgelöste Bilder aufgenommen werden, wobei bei der Ermittlung von lokalen Maxima im Wellenlängenverlauf der elektromagnetischen Wellen und deren Intensitäten eine Ermittlung der Messwerte über die Zeit und/oder den Ort erfolgt. Dadurch können Inhomogenitäten und Instationaritäten der Messwerte analysiert und ausgeglichen werden.
-
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Referenzbild des optisch transparenten Behälters ohne Plasma aufgenommen wird, wobei aus einem der aufgenommenen spektral- und ortsausgelösten Bilder und dem Referenzbild ein Differenzbild gebildet wird, und dass das Referenzbild mittels des Bildverarbeitungsverfahrens zur Ermittlung lokalen Maxima im Wellenlängenverlauf der elektromagnetischen Wellen und deren Intensitäten ausgewertet wird. Das Referenzbild enthält Hintergrundlicht, das mit dem spektral- und ortsaufgelösten Bild ebenfalls mit aufgenommen wird. Durch die Bildung des Referenzbildes kann dieses Hintergrundlicht eliminiert werden. Dadurch kann eine besonders genaue Auswertung der von dem Plasma ausgehenden elektromagnetischen Strahlung erfolgen. Die Aufnahme des Referenzbildes kann vor der Erzeugung des Plasmas, d. h. vor dem Anschalten eines Plasmagenerators oder nach der Erzeugung des Plasmas, d. h. nach dem Ausschalten des Plasmagenerators aufgenommen werden.
-
Das Verfahren kann ferner vorsehen, dass bei einem im Freien angeordneten Behälter die Aufnahme des spektral- und ortsaufgelösten Bildes bzw. der spektral- und ortsaufgelösten Bilder nachts erfolgt. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Hintergrundlicht reduziert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit in besonders vorteilhafter Weise bei Behältern in Form von Receiverrohren solarthermischer Kraftwerke einsetzbar.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch vorgesehen sein, dass vor der Aufnahme des spektral- und ortsaufgelösten Bildes bzw. der spektral- und ortsaufgelösten Bilder ein Abschirmungsbehälter um den Behälter zumindest teilweise angeordnet wird. Mittels des Abschirmungsbehälters kann zumindest ein Teil des Hintergrundlichts eliminiert werden. Die Aufnahme der spektral- und ortsaufgelösten Bilder kann bei der Verwendung eines Abschirmungsbehälters beispielsweise erfolgen, indem die die Bilder aufnehmende Kamera in dem Abschirmungsbehälter angeordnet ist. Auch besteht die Möglichkeit, dass der Abschirmungsbehälter einen offenen Wandbereich oder einen Wandbereich mit einem für UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich transparenten Material aufweist, so dass die Kamera die Bilder durch die Wand hindurch aufnimmt.
-
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert.
-
In der Figur ist ein erfindungsgemäßes Messsystem 1 zur Gasanalyse von einem in einem optisch transparenten Behälter 3 enthaltenem Gas schematisch dargestellt. Das Messsystem weist einen Plasmagenerator 5 auf, der eine elektromagnetische Quelle 7 und eine erste Elektrode 9 zur Einleitung von elektromagnetischen Wellen in das Gas aufweist. Die erste Elektrode 9 besteht aus einer Rohrschelle, die den Behälter 3 umgibt. Der Behälter 3 ist ein Receiverrohr eines solarthermischen Kraftwerks. Es besteht aus einem transparenten Außenrohr 3a und einem metallischem Absorberrohr 3b. Das Absorberrohr 3b ist ebenfalls an den Plasmagenerator 5 angeschlossen und dient als zweite Elektrode 10. Die erste Elektrode liegt an dem Außenrohr 3a an. Durch Einleitung von elektromagnetischen Wellen in das Gas wird das Gas ionisiert und somit ein Plasma 11 erzeugt.
-
Der Behälter 3 ist von einem Abschirmungsbehälter 13 umgeben, über den Hintergrundlicht abgeschirmt werden kann. Die Wandungen 13a sind auf den dem Behälter 3 zugewandten Flächen 13b als schwarzer Körper ausgebildet, so dass auf die Flächen treffende elektromagnetische Strahlung nur zu einem sehr geringen Anteil reflektiert wird.
-
Der Abschirmungsbehälter 13 weist einen Wandabschnitt 15 auf, der offen ist oder aus einem für den UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich transparenten Material besteht.
-
Ferner weist das Messsystem 1 einen Sensor zur Erfassung von elektromagnetischen Wellen aus dem UV-, sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich auf, der als spektrometrische Kamera 17 mit mindestens 10 Spektralkanälen ausgebildet ist. Mittels der Kamera wird durch die Wandung 15 ein spektral- und ortsaufgelöstes Bild des Plasmas 11 aufgenommen. Die Bilder erfassen somit elektromagnetische Wellen, die von dem Plasma ausgehen, so dass mittels eines Bildverarbeitungsverfahrens lokale Maxima im Wellenlängenverlauf der elektromagnetischen Wellen und deren Intensitäten ausgewertet werden können. Aus diesen Messwerten lassen sich Rückschlüsse auf die molekularen Komponenten des in dem Behälter 3 enthaltenen Gases und deren Partialdrücke bilden.
-
Das erfindungsgemäße Messsystem ist vorzugsweise an zylindrischen Behältern 3 verwendbar. Insbesondere können die Behälter 3 Receiverrohre solarthermischer Kraftwerke sein.
-
Mittels der Kamera 17 können auch Referenzbilder aufgenommen werden, die ohne Plasma 11 aufgenommen werden. Diese enthalten somit Informationen über das Hintergrundlicht, so dass durch die Bildung eines Differenzbildes dieser Anteil aus den aufgenommenen spektral- und ortsaufgelösten Bildern von dem Plasma 11 herausgerechnet werden kann. Das erfindungsgemäße Messsystem kann auch ohne den Abschirmungsbehälter 13 vorgesehen sein. In diesem Falle ist die Aufnahme des Referenzbildes von besonderer Bedeutung. Mit dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 kann insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Bei dem Einsatz im Feld, d. h. im Freien, beispielsweise an einem solarthermischen Kraftwerk, wird das erfindungsgemäße Verfahren mit dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 vorzugsweise nachts ausgeführt, um den Hintergrundlichtanteil möglichst gering zu halten.
-
Das erfindungsgemäße Messsystem 1 und das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich auch bei der Produktion von Receiverrohren oder für Labormessungen eingesetzt werden.
