DE102018133122B4 - Spektrometer mit Prozessanschluss - Google Patents

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Abstract

Spektrometer mit einem Prozessanschluss (50) zum Anschluss an eine zu analysierendes Fluid (12) enthaltende Leitung (13) oder einen Behälter mit:- einem Gehäuseteil (16), in dem optische Komponenten (20, 26, 24) des Spektrometers (10) angeordnet sind,- einem Anschlussgehäuseteil (52), das den Prozessanschluss (50) bildet und mit dem Gehäuseteil (16) verbunden ist,- einem Flansch (58), mit dem das Anschlussgehäuseteil (52) an eine Wandung der Leitung (13) bzw. des Behälters anflanschbar ist,- einer Fensteröffnung (62) in dem Anschlussgehäuseteil (52), in dem ein Fenster (64) angeordnet ist, das das Fluid (12) von dem Spektrometer (10) trennt und zur Durchführung optischer Messstrahlung (13) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,- dass eine Sicherheitsvorrichtung (66, 68) vorgesehen ist, die wenigstens zwei Positionen einnehmen kann und in einer Freigabeposition das Fenster (64) für den Durchtritt der Messstrahlung (13) freigibt und in einer Sperrposition die Fensteröffnung (62) verschließt, wobei die Sicherheitsvorrichtung (66, 68) derart angeordnet ist, dass bei einem Sicherheitsereignis die Sperrposition automatisch eingenommen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Spektrometer mit einem Prozessanschluss zum Anschluss an eine ein zu analysierendes Fluid enthaltende Leitung oder Behältnis.
  • Bei derartigen Spektrometern handelt es sich um optische Spektrometer, Sichtweitenmessgeräte, in-situ Gasanalysatoren und dergleichen. Damit werden bestimmte Gasanteile, z.B. Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid, SO2, NH3, NO NO2, HCl, HF oder dergleichen, mittels optischer Transmission oder Lichtstreuung gemessen. Anwendungsgebiete sind zum Beispiel Emissionsmessungen von Industrieanlagen, bei denen die Abgase auf ihren Gehalt bestimmter molekularer Verbindungen überwacht werden müssen. Deshalb wird zumeist die Konzentration der Gasanteile ermittelt. Die zu analysierenden Gase sind häufig Gasleitungen, insbesondere Abgasleitungen. Mittels irgendeiner Art von Prozessanschluss müssen die Spektrometer an die Gasleitung und damit an den Prozess angeschlossen werden. Häufig sind dies Flanschkonstruktionen, die unter anderem ein Fenster aufweisen, durch das die Messstrahlung des Spektrometers für die Analyse durchtreten kann. Das Fenster bildet dann die Trennung zwischen dem Prozess, also dem Gas und dem Spektrometer.
  • Solch ähnliche Spektrometrersind beispeilsweise aus der DE 102016101720 A1 , der DE 102014219375 A1 oder der US 2009 / 0 251 694 A1 bekannt.
  • Aufgrund der teilweise extremen Bedingungen des Prozesses (hohe Drücke und Temperaturen, aggressive Fluide, etc.) kommt es immer wieder zum Bersten des Fensters. In diesem Fall, der auch als Sicherheitsereignis bezeichnet wird, kann dann das Spektrometer Schaden nehmen. Um dies zu verhindern sind die Fenster entsprechend ausgelegt, beispielsweise durch große Materialstärke oder besonderes Glas. Das ist aber meist nicht vorteilhaft für die optischen Eigenschaften.
  • Deshalb ist es ausgehend von diesem Stand der Technik Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Spektrometer bereitzustellen, das besser gegen Schäden durch Bersten des Fensters geschützt ist und dennoch den Einsatz von Fenstern mit guten optischen Eigenschaften erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Das erfindungsgemäße Spektrometer mit einem Prozessanschluss zum Anschluss an eine zu analysierendes Fluid enthaltende Leitung oder ein Behältnis umfasst ein Gehäuseteil, in dem optische Komponenten des Spektrometers angeordnet sind, ein Anschlussgehäuseteil, das den Prozessanschluss bildet und mit dem Gehäuseteil verbunden ist, einen Flansch, mit dem das Anschlussgehäuseteil an eine Wandung der Leitung bzw. des Behältnisses anflanschbar ist, eine Fensteröffnung in dem Anschlussgehäuseteil, in dem ein Fenster angeordnet ist, das das Fluid von dem Spektrometer trennt und zur Durchführung optischer Messstrahlung ausgebildet ist, wobei eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen ist, die wenigstens zwei Positionen einnehmen kann und in einer Freigabeposition das Fenster für den Durchtritt der Messstrahlung freigibt und in einer Sperrposition die Fensteröffnung verschließt, wobei die Sicherheitsvorrichtung derart angeordnet ist, dass bei einem Sicherheitsereignis, zum Beispiel den Bruch des Fensters, die Sperrposition automatisch eingenommen wird.
  • Durch das Absperren der Fensteröffnung bei Bruch des Fensters oder dergleichen, wird das Spektrometer vor zerstörenden Einflüssen, wie z.B. hieße Prozessgase geschützt. Insbesondere können für das Fenster mit der Erfindung dünnere Gläser mit kleinem Sicherheitsfaktor eingesetzt werden. Die geringere Dicke des Fensters wirkt sich positiv auf den optischen Strahlengang des Spektrometers aus.
  • In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung kann die Sicherheitsvorrichtung die Sperrposition mittels der Schwerkraft einnehmen, z.B. könnte eine Klappe einfach nach unten zuklappen.
  • Die Auslösung der Sicherheitsvorrichtung aus der Freigabeposition bei Eintritt des Sicherheitsereignisses kann mechanisch erfolgen oder elektronisch durch ein Signal eines Sensors, mit dem das Sicherheitsereignis erfasst wird. Eine mechanische Auslösung kann beispielsweise durch geeignete Druckunterschiede erfolgen, die in Folge eines Fensterbruchs auftreten.
  • Alternativ kann die Sicherheitsvorrichtung als Kugel ausgebildet sein, die bei Eintritt des Sicherheitsereignisses in einen Dichtungssitz zum Schließen der Fensteröffnung fällt.
  • Wenn die Sicherheitsvorrichtung als Klappe ausgebildet ist, deren Scharnier oberhalb der Fensteröffnung angeordnet ist, kann die Klappe durch die Schwerkraft in die Sperrposition fallen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Sicherheitsvorrichtung mit Hilfe eines Motorantriebs von der Freigabeposition in die Sperrposition gebracht.
  • Vorteilhafterweise besteht die Sicherheitsvorrichtung aus Kunststoff, Glas oder Metall.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann jeweils auf beiden Seiten der Fensteröffnung eine Sicherheitsvorrichtung angeordnet sein.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Spektrometers zur Analyse eines in einem Kanal strömenden Fluids.
  • Ein erfindungsgemäßes Spektrometer 10 zur Analyse eines Fluids, beispielsweise eines Gases in einem Gasstrom 12 in einem Kamin 13, weist in einem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine optoelektronische Vorrichtung 14 auf. Diese umfasst unter anderem zwei Gehäuseteile 16 und 18. In dem ersten Gehäuseteil 16 ist ein Lichtsender 20, ein Lichtempfänger 24, ein Teilerspiegel 26 und eine Auswerteeinrichtung 28 angeordnet. In dem anderen Gehäuseteil 18, der auf der gegenüberliegenden Seite des Kamins 13 angeordnet ist, ist ein Retroreflektor 30 angeordnet. Ein von dem Lichtsender 20 ausgesandter Sendelichtstrahl 32 wird nach Reflektion an dem Retroreflektor 30 und dem Teilerspiegel 26 von dem Lichtempfänger 24 empfangen. Die durch die Lichtstrahlen 32 gebildete optische Messtrecke 33 umfasst ein Messvolumen 34.
  • Der Lichtempfänger 24 erzeugt in Abhängigkeit des auftreffenden Lichts Empfangssignale, die in der Auswerteeinrichtung 24 ausgewertet werden. In dieser Ausführung kann die optoelektronische Vorrichtung 14 als Transmissiometer eingesetzt werden, so dass mit dem Lichtempfänger 24 die Intensität des durch das Messvolumen 34 hindurchtretenden Lichts gemessen wird. In der Regel ist der Lichtsender 20 auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt, die von einem zu untersuchenden Gasanteil, beispielsweise Schwefelwasserstoff, absorbiert wird. Über das am Lichtempfänger 24 empfangene Licht kann dann eine Aussage gemacht werden, wie hoch die Konzentration des interessierenden Gasanteils, z.B. von Schwefelwasserstoff, in dem Gasstrom 12 ist, der in dem Kamin 13 geführt ist.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind Sender und Empfänger in dem ersten Gehäuseteil und der Reflektor in dem anderen Gehäuseteil angeordnet, so dass das Licht die optische Messstrecke zweimal durchläuft. Das hat den Vorteil, dass elektrische Anschlüsse nur an einem Gehäuseteil notwendig sind. Es wäre aber prinzipiell auch denkbar, dass in dem ersten Gehäuseteil der Sender und in dem zweiten Gehäuseteil der Empfänger angeordnet ist und kein Reflektor vorhanden ist. Dann durchläuft das Licht die Messstrecke nur einmal.
  • In dem zweiten Gehäuseteil 18 kann alternativ oder optional ein zweiter Lichtempfänger 36 angeordnet sein, der so angeordnet ist, dass er beispielsweise Streulicht 38 in Vorwärtsrichtung (Vorwärtsstreuung) empfangen kann, so dass mit der optoelektronischen Vorrichtung 14 auch nach dem Prinzip der Streulichtmessung eine Konzentrationsauswertung von Gasanteilen oder enthaltenem Ruß/Staub vorgenommen werden kann. Das mit dem zweiten Empfänger 36 aufgenommene Streulicht 38 wird dazu in einer zweiten Auswerteeinrichtung 40 ausgewertet. Der beschriebene Streulichtempfänger kann auch in der Sendereinheit 16 integriert sein, um Streulicht in Rückwärtsrichtung zu messen (Rückwärtsstreuung).
  • Die Erfindung betrifft nun die Art und Weise, wie das die optischen Komponenten enthaltende Gehäuseteil 16 an den Kamin 13 angeschlossen ist. Dazu ist ein Prozessanschluss 50 vorgesehen. Der Prozessanschluss umfasst ein Anschlussgehäuseteil 52, das auf der einen Seite über einen Flansch 54 mit einem Flansch 56 des Gehäuseteils 16 verbunden ist und somit mit dem Gehäuseteil 16 verbunden ist. Das Gehäuseteil 16, in dem optische Komponenten des Spektrometers 10 angeordnet sind und das Anschlussgehäuseteil 52, das den Prozessanschluss bildet, können in einer nicht dargestellten Ausführungsform Teil eines gemeinsamen Gehäuses des Spektrometers 10 sein.
  • Auf der gegenüberliegenden Seite ist das Anschlussgehäuseteil 52 über einen Flansch 58 an eine Wandung des Kamins 13 angeflanscht. In diesem Bereich weist die Wandung eine Öffnung 60 auf. Weiter weist das Anschlussgehäuseteil 52 eine Fensteröffnung 62 auf, in der ein Fenster 64 angeordnet ist. Das Fenster 64 trennt das Innere des Kamins 13 von dem Inneren des Spektrometers 10 und verhindert einerseits, dass das Fluid 12 in das Spektrometer 10 eindringen kann, aber dennoch Lichtstrahlung 32 des Lichtsenders 20 von dem Spektrometer 10 durch das Fenster und die Öffnung 60 in die Messstrecke 33 geführt werden kann.
  • Weiter ist eine Sicherheitsvorrichtung 66 vorgesehen, die wenigstens zwei Positionen einnehmen kann. In einer Freigabeposition, wie sie in 1 dargestellt ist, ist das Fenster 64 für den Durchtritt der Messstrahlung 32 frei. In einer Sperrposition verschließt die Sicherheitsvorrichtung 66 die Fensteröffnung 62. Die Sicherheitsvorrichtung 62 wird bei Eintritt eines Sicherheitsereignisses ausgelöst, wobei „Auslösung“ bedeutet, dass die Sicherheitsvorrichtung 66 sich von der Freigabeposition in die Sperrposition bewegen kann und in der Sperrposition das Innere des Kamins 13 von dem Inneren des Spektrometers 10 durch die Sicherheitsvorrichtung 66 getrennt ist. Ein Sicherheitsereignis ist zum Beispiel typischerweise das Bersten des Fensters 64.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Sicherheitsvorrichtung 66 als eine Klappe 68 ausgebildet, die an einem oberhalb des Fensters 64 angeordnetem Scharnier 70 aufgehängt ist, so dass die Klappe 68 mittels der Schwerkraft von der dargestellten Freigabeposition in die Sperrposition fallen/zuklappen kann. Die Klappe 68 kann mit geeigneten Mitteln, z.B. Magnete oder Gegengewicht, in der waagerechten Freigabeposition gehalten werden. Bei Eintritt des Sicherheitsereignisses wird die Haltekraft überwunden, z.B. weil ein Unterdruck im Kamin 13 die Klappe 68 aus der Freigabeposition ansaugt, weil die Klappe 68 in der Freigabeposition eine Öffnung 72 in dem Anschlussgehäuseteil 52 zum Außenraum hin abdeckt.
  • Die Auslösung der Sicherheitsvorrichtung 66 muss aber nicht unbedingt mechanisch erfolgen. Es sind auch Ausführungen denkbar, bei denen ein Sensor, z.B. ein Drucksensor, das Bersten des Fensters 64 durch Druckänderungen oder den Volumenstrom erfasst und das Signal des Sensors, eine Betätigungsvorrichtung, z.B. einen Elektromotor aktiviert, der die Sicherheitsvorrichtung 66 von der Freigabeposition in die Sperrposition bewegt.
  • Alternativ kann die Sicherheitsvorrichtung nicht als Klappe 68, sondern als Kugel ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ist in den Figuren nicht dargestellt. Bei Eintritt des Sicherheitsereignisses fällt die Kugel in einen Dichtungssitz und schließt damit die Fensteröffnung. Es wäre auch denkbar, dass die Kugel eine zentrische Bohrung aufweist, durch die das Licht in der Freigabeposition der Kugel hindurchtreten kann. Bei Eintritt des Sicherheitsereignisses dreht sich die Kugel dann und trennt so Kanal und Spektrometer, vergleichbar mit einem Kugelhahnventil.
  • Die Sicherheitsvorrichtung 66, Klappe 68, kann aus verschiedenen Werkstoffen sein, z.B. Kunststoff, Holz, Glas, Metall. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann sie sich auf beiden Seiten der Fensteröffnung 62 befinden.
  • In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann die Sicherheitsvorrichtung 66 in der Ausgestaltung als Klappe 68 auch in vertikaler Position in der Freigabeposition gehalten werden. Nach Auslösung durch das Sicherheitsereignis fällt dann die Klappe senkrecht herunter.
  • Viele Varianten sind denkbar, um die Klappe in der Freigabeposition zu halten und diese Halterung auszulösen. So könnte die Klappe sich auf dem Fenster abstützen. Bei Zerstörung des Fensters, kann sich die Klappe nicht mehr abstützen und schließt die Fensteröffnung. In einer weiteren Variante könnte das Anschlussgehäuse komplett mit einem Fluid gefüllt sein, auf welchem die Klappe aufschwimmt. Bricht das Fenster ein, läuft das Fluid ab und die Klappe sperrt die Fensteröffnung. Die Klappe könnte weiter über Druckstifte/Federn in der horizontalen Freigabeposition gehalten sein. Die Druckstifte/Federn sind so dimensioniert, dass bei einer bestimmten Druckdifferenz die Druckstifte nachgeben und die Klappe herunterfällt.
  • Weiter könnte die Sicherheitsvorrichtung 66 auch im bzw. vor dem zweiten Gehäuseteil 18 auf der gegenüberliegenden Kanalseite zum Schutz der Komponenten, wie Reflektor 30, zweiter Empfänger 36 und Auswerteeinrichtung 40, vorgesehen sein.

Claims (9)

  1. Spektrometer mit einem Prozessanschluss (50) zum Anschluss an eine zu analysierendes Fluid (12) enthaltende Leitung (13) oder einen Behälter mit: - einem Gehäuseteil (16), in dem optische Komponenten (20, 26, 24) des Spektrometers (10) angeordnet sind, - einem Anschlussgehäuseteil (52), das den Prozessanschluss (50) bildet und mit dem Gehäuseteil (16) verbunden ist, - einem Flansch (58), mit dem das Anschlussgehäuseteil (52) an eine Wandung der Leitung (13) bzw. des Behälters anflanschbar ist, - einer Fensteröffnung (62) in dem Anschlussgehäuseteil (52), in dem ein Fenster (64) angeordnet ist, das das Fluid (12) von dem Spektrometer (10) trennt und zur Durchführung optischer Messstrahlung (13) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, - dass eine Sicherheitsvorrichtung (66, 68) vorgesehen ist, die wenigstens zwei Positionen einnehmen kann und in einer Freigabeposition das Fenster (64) für den Durchtritt der Messstrahlung (13) freigibt und in einer Sperrposition die Fensteröffnung (62) verschließt, wobei die Sicherheitsvorrichtung (66, 68) derart angeordnet ist, dass bei einem Sicherheitsereignis die Sperrposition automatisch eingenommen wird.
  2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung die Sperrposition mittels der Schwerkraft einnimmt.
  3. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Eintritt des Sicherheitsereignisses die Auslösung der Sicherheitsvorrichtung aus der Freigabeposition mechanisch erfolgt.
  4. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Erkennung des Sicherheitsereignisses vorgesehen ist und mittels eines Signals des Sensors die Auslösung der Sicherheitsvorrichtung aus der Freigabeposition erfolgt.
  5. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung als Kugel ausgebildet ist, die bei Eintritt des Sicherheitsereignisses in einen Dichtungssitz zum Schließen der Fensteröffnung fällt.
  6. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung als Klappe ausgebildet ist, deren Scharnier oberhalb der Fensteröffnung angeordnet ist, so dass die Klappe in die Sperrposition fallen kann und die Klappe mit einer Kraft in der Freigabeposition gehalten ist, wobei die Kraft bei Eintritt des Sicherheitsereignisses automatisch überwunden wird.
  7. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung die Sperrposition mit Hilfe eines Motorantriebs einnimmt.
  8. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung aus Kunststoff, Glas oder Metall besteht.
  9. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten der Fensteröffnung jeweils eine Sicherheitsvorrichtung angeordnet ist.
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US20090251694A1 (en) * 2004-04-30 2009-10-08 Ahura Scientific Inc. Method and Apparatus for Conducting Raman Spectroscopy
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