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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein foto-akustisches Erfassungsverfahren,
das für
Konzentrationsmessungen auf dem Gebiet der Naturgas- bzw. Erdgasindustrie
anwendbar ist.
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Die
Qualität
und der Verunreinigungs-(z.B. Feuchtigkeits- oder Wasserdampf-)Gehalt
von Erdgas, das aus verschiedenen Gasvorbereitungs- bzw. Vorbehandlungstechnologien
in Gasleitungen gespeist werden soll, und das später als Treibstoff verwendet
werden soll, ebenso wie Sicherheits- und Effizienzkriterien für den Transport
mittels Gasleitungen und Bedingungen für eine problemlose Verbrennung
von Erdgas durch geeignete Öfeninstallationen stehen
unter strenger Kontrolle, die durch internationale Standards vorgeschrieben
sind (z.B. EN ISO 11541: 2002, EN ISO 10101-1: 1998, 10101-2: 1998 und
10101-3: 1998). Um die Vorschriften einzuhalten, sollte das auszugebende
Gas einer kontinuierlichen Überwachung
oder Messung unterworfen sein. Eine dieser Messungen zielt darauf
ab, den Dampfgehalt zu bestimmen, oder den Wassertaupunkt Tdew des für
den Transport fertigen getrockneten Erdgases; insbesondere sind
zum Ausführen
einer solchen Messung eine Anzahl verschiedener direkter oder indirekter
Messtechniken in der Erdgasindustrie bekannt. Direkte Verfahren
basieren auf der Trennung von Dampf und trockenem Gas, gefolgt durch
eine Bestimmung des Wassergehalts. Diese Klasse von Verfahren beinhaltet
vollständige
Absorptionsverfahren (z.B. des gravimetrischen oder chemischen Typs) und
Kondensationsverfahren, die auf dem Ausfrieren von Wasserdampf basieren.
Indirekte Verfahren schließen
Prozesse ein, die auf das Messen einer der physikalischen Parameter
zielen, die funktional mit dem Wassergehalt des Erdgases zusammenhängen. Solche
Messverfahren sind zum Beispiel elektrolytisch (coulombmetrisch)
oder dielektrometrisch in ihrer Art. Diese Arten von Erfassungsverfahren
und die Messvorrichtungen, die dafür erhältlich sind, sind jedoch in
der Technik wohlbekannt, und werden daher hier nicht genauer diskutiert.
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Die
Messverfahren und Vorrichtungen, die heutzutage verbreitet in der
Gasindustrie verwendet werden, gestatten die Erfassung des Wasserdampfgehalts
oder des Wassertaupunkts Tdew eines zu transportierenden
Gases mit einem vergleichsweise großen Fehler. Dies könnte auf
der Benutzerseite zum Auftreten von Fehlfunktionen und verschiedenen
Schwierigkeiten führen
(z.B. Korrosion); daher ist eine Ungenauigkeit nicht akzeptabel.
Kohlenwasserstoffe, die schwerer als Methan (C2+)
sind, die in einer Gasprobe vorhanden sind, die aus Erdgas entnommen
wird, zusätzlich
zu Methan, Wasserstoffsulfid (HS), und weiter Alkoholen, Merkaptanen
und Glykol, welche unvermeidliche Rückstände der angewandten Vorbehandlungstechniken
sind, können
als hauptsächlich
verantwortlich angesehen werden für die Ungenauigkeiten, die
in den gemessenen Daten auftreten.
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Um
die Nachteile von Erfassungstechniken für Dampfgehalt, die derzeit
in der Gasindustrie verwendet werden, zu beseitigen, wurden eine
Studie und eine Entwicklung von spektroskopischen Techniken eingeleitet.
In dem Rahmen der Spektroskopie werden (rotationsmäßige und
vibrationsmäßige) Spektrallinien,
d.h. die Spektren von Gasphasen-Wassermolekülen, die
in dem Erdgas vorhanden sind, aufgezeichnet. Dies bedeutet, dass
es keine Notwendigkeit gibt, den Wassergehalt des Erdgases zu kondensieren
oder zu absorbieren, d.h. in eine flüssige oder feste Phase zu transformieren.
Gemäß der Literatur
erscheinen zwei solche Techniken viel versprechend, nämlich: die
Mikrowellen-Gasspektroskopie
und die Infrarot-Spektroskopie. Jedoch haben sich diese Techniken
bis jetzt nur als anwendbar für Erfassungen
unter Laborbedingungen herausgestellt; sie sind nicht an reale Bedingungen
angepasst, die in der Wirklichkeit bzw. dem Außeneinsatz auftreten, d.h.
sie sind noch nicht in kontinuierlich arbeitende Gasleitungen installiert
worden. Einige Details dieser Techniken können beispielsweise der Mitteilung
von V.A. Istomin, veröffentlicht
durch IRC GAZPROM (Nr. 69, 1999) oder der Schrift von A.M. Ferber
et al (veröffentlicht
in Measurement + Control, Vol. 34, 2001, März-Ausgabe) entnommen werden.
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Der
Ansatzpunkt von auf Fotoakustik basierenden optischen spektroskopischen
Erfassungsverfahren ist, dass aufgrund der Absorption von Beleuchtungslicht
Moleküle
von Gasen oder Dämpfen aus
ihren Grundzuständen
in höhere
Energiezustände
angeregt werden, gemäß den Regeln
der Quantenmechanik. Die Relaxation aus dem angeregten Zustand bewirkt
ein Aufheizen in der räumlichen
Umgebung der Anregung. Wenn die Beleuchtung periodisch stattfindet,
wird dieses Aufheizen auch ein periodisches Verhalten zeigen, aufgrund
der periodischen Natur der Relaxation. Dies bedeutet, dass sich eine
periodische Druckdifferenz in Gasen und Dämpfen in dem Volumen bildet,
in dem Relaxation stattfindet. Die periodische Druckdifferenz führt zu einer
longitudinalen Welle, d.h. eine Schallwelle tritt aus, die mittels
einer geeigneten Vorrichtung erfasst werden kann.
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Der
Kern von Messverfahren, die auf dem fotoakustischen Phänomen basieren,
ist, dass ein Gas oder eine Gasmischung, die verschiedene Komponenten
enthält,
in einen speziellen Raum geleitet wird, der in der Literatur als
foto-akustische Kammer bekannt ist. Die foto-akustische Kammer ist eine akustisch
optimalisierte Kammer, was bedeutet, dass der Schall einer bestimmten
akustischen Frequenz, der darin erzeugt wird, durch die Kammer in
einem hohen Maß verstärkt wird.
Insbesondere Wird Beleuchtung durch ein Laserlicht bereitgestellt,
das durch die foto-akustische Kammer geleitet wird. Die Leistung
des Laserlichts wird kontinuierlich bei einer Frequenz moduliert,
die gleich einer der Resonanzfrequenzen der Kammer ist. In den meisten
Fällen wird
die Modulation durch Ein- und Ausschalten der Quelle des Laserlichts
bereitgestellt. Die Wellenlänge des
beleuchtenden Lasers wird auf die Absorptionslinie(n) einer zu untersuchenden
Gaskomponenten feinabgestimmt. Wenn das Gas oder die Gasmischung,
das/die in die Kammer geleitet wird, die zu messende Gaskomponente
enthält,
wird durch die Absorption des modulierten Beleuchtungslichts ein Schall
erzeugt. Dieser Schall wird dann mittels eines Druckänderungs-Sensors
erfasst, insbesondere durch ein Mikrofon, angeordnet in der foto-akustischen
Kammer. Die Amplitude (oder Stärke)
des erfassten foto-akustischen Signals ist einerseits proportional
dem Lichtfluss der Beleuchtung und andererseits dem Absorptionskoeffizienten
der untersuchten Gaskomponente; der Proportionalitätsfaktor
wird durch die Geometrie der Kammer gegeben. Der Absorptionskoeffizient
hängt gleichzeitig
von der Anzahl der angeregten Moleküle ab, d.h. von der Konzentration
der zu messenden Gaskomponente.
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Das
foto-akustische Verfahren ist im Vergleich mit anderen optischen
Techniken extrem einfach und erfordert nicht die Anwendung von komplizierten
optischen Systemen oder solchen vom Präzisionstyp. Es kann leicht
automatisiert werden und zum Ausführen einer Messung sind dadurch
nur kleine Problemvolumina (d.h. einige wenige Kubikzentimeter)
erforderlich. Nichtdestotrotz ist das Verfahren trotz seiner Einfachheit
von großer
Empfindlichkeit; abhängig
von der Beleuchtungslichtquelle ist das foto-akustische Verfahren
geeignet zum Aufdecken von Konzentrationen so gering wie ppm oder
ppb in der Größenordnung.
Es ist bevorzugt für
das Messen eines Gases oder einer Gasmischung mit dem Druck von
zwischen 0,02 bis 0,4 MPa; es sind jedoch Messungen in einem Druckbereich
am meisten bevorzugt, die bei Atmosphärendruck stattfinden (d.h.
etwa 0,1 MPa). Ein weiterer Vorteil der foto-akustischen Verfahren
ist deren Selektivität
und Spezifität
(specificity), was allgemein für
optische Verfahren charakteristisch ist. Die foto-akustischen Verfahren
zeigen einen einzigartig breiten Dynamikbereich; das foto-akustische
Signal zeigt eine lineare Abhängigkeit von
der Konzentration der zu messenden Gaskomponente über 5–6 Größenordnungen.
Als Folge können
schnelle und große Änderungen
in Konzentrationen (z.B. über
einige Größenordnungen)
verfolgt werden, und zusätzlich
können
kleine Änderungen einer
großen
Konzentration ebenso beobachtet und gemessen werden.
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Um
die Zusammensetzung von Gasen zu analysieren, sind foto-akustische
Messverfahren und Vorrichtungen, um diese Verfahren zu implementieren,
in der Literatur bereits bekannt.
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Das
ungarische Patent Nr. 203,153 B offenbart ein foto-akustisches Messverfahren
und eine damit zusammenhängende
Vorrichtung für
das Messen der Zusammensetzung von Gasen, wobei die Vorrichtung
optisch offen, aber akustisch geschlossen ist. Gemäß dem Messverfahren
ist die akustisch geschlossene foto-akustische Kammer optisch offen, d.h.
für das
ein- und austretende Laserlicht der Beleuchtung sind Öffnungen
an entgegengesetzten Enden der Kammer gebildet. Daher wird die akustische Geschlossenheit
der foto-akustischen Kammer, die auf diese Weise ebenso akustisch
offen wird, d.h. für den
Umgebungslärm
empfindlich, der von der Außenseite
in die Vorrichtung eintritt, durch eine Geräuschunterdrückung sichergestellt, die mittels
Tiefpassfiltern realisiert wird.
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Das
US Patent Nr. 5,159,411 lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung,
die dazu gehört,
zum Messen einer Wellenlängenabhängigkeit
der Stärke und
Phase eines foto-akustischen Signals. Wenn bestimmte Bedingungen
erfüllt
sind, kann man auf die Anwesenheit einer gegebenen Gaskomponente schließen, aufgrund
der Tatsache, dass die Phase, die als eine Funktion der sich kontinuierlich ändernden
Wellenlänge
der beleuchtenden Lichtquelle aufgezeichnet wird, eine plötzliche
Verringerung gefolgt von einer schnellen Zunahme bei einer Wellenlänge zeigt,
die für
die Gaskomponente charakteristisch ist; dies zeigt die Absorption
der zu untersuchenden Gaskomponente bei der betreffenden Wellenlänge an.
Die Vorrichtung arbeitet mit einem Kohlendioxid-Laser (λ = 10 μm), und der
kleinste messbare Wert der Konzentration der Gaskomponente ist vergleichsweise
hoch, etwa 500 ppm. Weitere Nachteile des Verfahrens und der Vorrichtung
sind, dass sie nur in Verbindung mit einem speziellen Gashintergrund verwendet
werden können.
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Die
internationale Patentanmeldung Nr. WO 96/31765 beschreibt eine foto-akustische
Messvorrichtung zur selektiven Messung von Gasen und/oder Gasmischungen,
die bei einer bestimmten Absorptionslinie ausgeführt wird. Die Vorrichtung umfasst
unter anderem eine foto-akustische Kammer mit einer Referenzzelle,
die hinter ihr angeordnet ist. Die Aufgabe der Referenzzelle ist
es, ein Referenzsignal zu liefern, auf dessen Basis eine Verschiebung
in der Wellenlänge
der beleuchtenden Lichtquelle, oder die auftretenden störenden (incidental)
Maskierungseffekte aufgrund der Verunreinigungen des zu untersuchenden
Gases kompensiert werden können.
Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist, dass die foto-akustische Kammer
während
der Messung in einer luftdichten Weise geschlossen sein sollte,
und die Untersuchung eines kontinuierlichen Gasstroms daher nicht mittels
dieser Vorrichtung ausgeführt
werden kann.
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In
einem wesentlichen Teil der Fälle,
mit denen sich die Literatur im Detail befasst, umfassen die (prinzipiell
künstlichen)
Gasproben, die bei auf Fotoakustik basierenden Messungen verwendet
werden, nur zwei Komponenten, nämlich
ein so genanntes Trägergas,
das bei der optischen Wellenlänge
der Lichtquelle nicht absorbiert, und die zu messende Gaskomponente
selbst, die eine niedrige Konzentration in der Probe aufweist (typischerweise
von ppm bis zu ppb reichend), und aufgrund der Absorption des Anregungslichts
erzeugt sie ein akustisches Signal und wird daher mittels der in
Frage stehenden foto-akustischen Technik messbar. Wenn es das Ziel ist,
foto-akustisch die Konzentration einer bestimmten Komponente einer
komplexeren Gasprobe zu bestimmen, z.B. einer methanhaltigen Gasmischung, die
in der Natur gefunden wird (so wie z.B. Erdgas), stellt es immer
ein Hauptproblem dar, dass im Allgemeinen mehr als eine Komponente
der Gasprobe bei der gleichen Wellenlänge absorbieren könnte, und daher
wird ein resultierendes foto-akustisches Signal erhalten, das der
Mischung von Komponenten zugeordnet ist. In den meisten dieser Fälle können die Beiträge von einzelnen
Komponenten nicht mittels einfacher Verfahren separiert werden (z.B.
durch Ausführen
von Messungen nur bei einer bestimmten Wellenlänge). In diesen Fällen wird
die so genannte Mehrkomponentenanalyse angewendet, die aus der Spektroskopie
bekannt ist und ebenso in foto-akustischen Messtechniken verwendet
wird, um die Konzentration(en) einer/von zu messenden Gaskomponente(n)
zu bestimmen. Hier werden die (foto-akustischen) Spektren durch
Messungen genommen, die bei verschiedenen Wellenlängen ausgeführt werden. In
einem ersten Schritt werden separate Spektren für jede Komponente der Gasprobe
als eine Funktion der Konzentration einzelner Komponenten genommen.
Dieser Schritt ist der so genannte Kalibrierungsschritt, im Rahmen
dessen die Kalibrierungskonstanten berechnet werden, die zum Bewerten
nachfolgender Messungen erforderlich sind. Diesem Schritt folgend
findet das Aufzeichnen des Spektrums der Gasprobe unbekannter Zusammensetzung
bei bestimmten Kalibrierungswellenlängen statt. Schließlich wird
die Konzentration von jeder Gaskomponente aus dem so erhaltenen
Spektrum bestimmt, mittels algebraischer Berechnungen, die auf den
Kalibrierungskonstanten basieren. Das Abschließen der Mehrkomponentenanalyse
für eine
Erdgasmischung (d.h. eine, die eine vergleichsweise große Anzahl
von verschiedenen Komponenten enthält), ist eine zeitaufwendige
und komplizierte Aufgabe.
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Ferner
ergibt sich für
foto-akustische Messungen ein genaues Ergebnis nur in den Fällen, in denen
die Konzentration von Komponenten, die das beleuchtende Licht absorbieren,
gemeinsam und separat vergleichsweise gering ist (typischerweise höchstens
etwa 0,1 Prozent nach Masse der gesamten Gasprobe). Ein Grund dafür ist, dass
die Komponenten, die in großen
Konzentrationen in dem zu untersuchenden Gas vorliegen, in einem
großen Ausmaß die Eigenschaften
der foto-akustischen Kammer beeinflussen, die eine wesentliche Rolle
bei der Erzeugung des foto-akustischen Signals spielen. Als eine
Folge kann das Ergebnis, das für
eine künstliche Probe
mit keinen Komponenten hoher Konzentration erhalten wird, die in
dem Kalibrierungsschritt verwendet wird, überhaupt nicht für die zu
untersuchende Gasmischung verwendet werden (die ebenfalls solche
Komponenten enthält),
oder nur mit einem signifikanten Fehler. Da die allgemeine bzw.
Gesamt-Konzentration von Licht absorbierenden Komponenten in Erdgas
typischerweise von etwa einigen Prozent bis zu fast einhundert Prozent
reichen kann, wäre
es im Lichte der vorstehend genannten Tatsachen notwendig, ein solches
foto-akustisches Erfassungsverfahren auszuarbeiten, mittels dem
die Konzentration einer gegebenen Komponente (z.B. Wasserdampf)
einer Gasmischung mit einer über
die Zeit variierenden Zusammensetzung, und die allgemein einen großen Anteil
an Methan enthält
(z.B. Erdgas), leicht und genau in der Anwesenheit von anderen Komponenten (bevorzugt
Methan) bestimmt werden könnte,
die ebenfalls die Messwellenlänge
absorbieren, und von weiteren Komponenten (z.B. Kohlenwasserstoffen schwerer
als Methan, Kohlendioxid, verschiedenen Alkoholdämpfen und dergleichen), sogar
für vergleichsweise
niedrige Konzentrationen (z.B. etwa 0,5 ppm) der zu messenden Komponente.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein foto-akustisches
Erfassungsverfahren anzugeben, das einerseits die vorstehend genannten Anforderungen
erfüllt
und andererseits auch geeignet ist für und ausgeführt werden
kann unter industriellen Bedingungen.
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Die
angestrebte Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erreicht durch
die Entwicklung eines foto-akustischen Erfassungsverfahrens zum
Messen einer Konzentration einer Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente einer methanhaltigen
Gasmischung, wobei
die Gasmischung durch eine akustisch optimalisierte Messzelle
geleitet wird, während
sie von einer periodisch modulierten Lichtquelle beleuchtet wird,
die bei einer Wellenlänge
innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs des bekannten
Absorptionsspektrums der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente arbeitet;
mittels
eines Druckänderungs-Sensors,
der in die foto-akustische Messzelle eingebaut ist, periodisch Änderungen
im Druck aufgrund der Beleuchtung erfasst werden und in foto-akustische Signale
umgewandelt werden, deren Stärke
ebenfalls gemessen wird;
ein foto-akustisches Absorptionsspektrum
des Gasmischung mittels Variieren der Wellenlänge der beleuchtenden Lichtquelle
aufgezeichnet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- a) ein Messbereich auf eine solche Weise eingestellt wird, dass
er mindestens zwei separate charakteristische Methan-Absorptionswellenlängen verschiedener
Absorptionsstärke
und mindestens eine charakteristische Absorptionswellenlänge der
Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente
enthält,
wobei diese letztere Wellenlänge
sich von den betreffenden Methan-Absorptionswellenlängen unterscheidet
und dazwischen gelegen ist;
- b) eine genaue Position/Positionen der charakteristischen Absorptionswellenlänge(n) der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente
in dem Messbereich auf der Basis eines fotoakustischen Referenzabsorptionsspektrums
innerhalb einer Referenzzelle festgelegt wird/werden, die hinter der
Messzelle angeordnet ist und die durch die Lichtquelle gleichzeitig
mit der Messzelle beleuchtet wird, wobei die Referenzzelle mit einem
Gas gefüllt
ist, das reich an der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente ist und
in der Lage ist, alleine kein bzw. alleine nicht in der Lage ist,
ein foto-akustisches Signal zu erzeugen;
- c) eine Abhängigkeit
des foto-akustischen Signals von der Konzentration der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente
erhalten wird durch die Schritte
– Leiten eines ersten Kalibriergases
mit einer Zusammensetzung ähnlich
der der Gasmischung durch die foto-akustische Messzelle und in der Zwischenzeit
Aufzeichnen eines foto-akustischen Spektrums in dem Messbereich;
– Definieren
einer Größe Xc, die ausschließlich von der Methankonzentration
abhängig
ist, für zwei
charakteristische Methan-Absorptionswellenlängen, die eine einzelne charakteristische
Absorptionswellenlänge
der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente in dem Messbereich einfassen, auf
der Basis des erhaltenen Spektrums, und weiterhin Bestimmen einer
foto-akustischen Signalstärke
Yc an einer der betreffenden charakteristischen
Methan-Absorptionswellenlängen; dann
Variieren
der Konzentration der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente des Kalibriergases;
und
Bestimmen der foto-akustischen Signalstärke für jede Konzentration der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente;
- d) eine Größe Xm, die ausschließlich von der Methankonzentration
abhängig
ist, wird für
die gewählten
charakteristischen Methan-Absorptionswellenlängen auf der Basis des foto-akustischen Absorptionsspektrums
definiert, das für
die Gasmischung aufgezeichnet worden ist, und weiterhin wird eine
foto-akustische Signalstärke
Ym an einer der betreffenden charakteristischen
Methan-Absorptionswellenlängen
bestimmt;
- e) das für
die Gasmischung aufgezeichnete Spektrum wird einer Transformation
unterzogen, die durch eine Kombination der Größen Xc und
Xm und der foto-akustischen Signalstärken Yc und Ym erhalten
wird; und
- f) die gesuchte Konzentration der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente
der Gasmischung wird unter Verwendung des in Schritt e) transformierten
Spektrums als ein Start und unter Ausnutzen der Beziehung zwischen
der Konzentration der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente und des in Schritt c) erhaltenen
foto-akustischen Signals bestimmt.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
und seine weiteren Vorteile werden genauer unter Bezug auf die begleitende
Zeichnung erläutert
werden, worin
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1 eine
diagrammatische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der Messvorrichtung ist, die zum Ausführen des Verfahrens gemäß der Erfindung
geeignet ist;
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2 foto-akustische
Spektren zeigt, die in der Messzelle (durchgezogene Linie) und in
der Referenzzelle (gestrichelte Linie) der in 1 dargestellten
Vorrichtung als Funktion der Abstimmung der beleuchtenden Lichtquelle
für Erdgas
mit einem gegebenen Wasserdampfgehalt aufgenommen worden sind; und
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3 die Änderung
in dem Wasserdampfgehalt von Erdgas darstellt, erfasst gemäß der Erfindung,
als eine Funktion der Zeit innerhalb eines 12-Tage-Messzeitraums,
aus einer Erdgasquelle extrahiert, vorbehandelt und schließlich an
eine Gasleitung ausgegeben.
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Bezug
nehmend auf 1 enthält eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung,
die zum Ausführen
des foto-akustischen Erfassungsverfahrens der vorliegenden Erfindung
geeignet ist, eine beleuchtenden Lichtquelle 1, die innerhalb
eines gegebenen Wellenlängenbereichs
abstimmbar bzw. durchstimmbar ist, eine foto-akustische Messzelle 2 und
eine Referenzzelle 3, beide akustisch optimalisiert und
mit Druckänderungs-Sensoren
ausgerüstet, ausgeführt bevorzugt
in der Form eines Mikrofons 9, eine elektronische Einheit 4,
die elektrisch mit den Mikrofonen 9 verbunden ist, und
weiterhin eine Steuer- und Signalverarbeitungseinheit, bevorzugt
in der Form eines Personalcomputers 5, der elektrisch mit der
elektronischen Einheit 4 verbunden ist, um die Messung
zu steuern und Daten zu gewinnen und zu analysieren.
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Die
Lichtquelle 1 ist als ein Einzelmoden-Diodenlaser vom Distributed
Feedback-Typ oder ein Laser vom External Cavity-Typ vorbereitet,
die beide schnell, verlässlich
und reproduzierbar in einem vergleichsweise schmalen Wellenlängenbereich
abstimmbar sind (der eine typische Breite von etwa 1 nm aufweist).
Zusätzlich
ist die Lichtquelle 1 in einer solchen Weise gebildet,
dass ihr Abstimmbereich eine oder mehrere signifikante (d.h. in
der Wellenlänge
gut identifizierbare) charakteristische Absorptionslinien einer
Komponente (z.B. Wasserdampf) mit unbekannter Konzentration in der
zu untersuchenden Gasmischung (z.B. Erdgas) und der von Methan aufweist,
wobei irgendwelche Paare der betreffenden Absorptionslinien sich
höchstens
teilweise überlappen.
Wenn der Wasserdampfgehalt des Erdgases zu erfassen ist, wird der
Abstimmbereich z.B. durch einen schmalen Wellenlängenbereich definiert, der
die Absorptionslinie bei 1370,96 nm für Wasserdampf enthält. Weitere
Details einer möglichen
Ausführungsform
der Lichtquelle 1, die praktisch auf das Verfahren gemäß der Erfindung
angewendet werden kann, können
z.B. der Schrift von A. Mohacsi et al (veröffentlicht in Laser Physics,
Vol. 10, 2000, Nr. 1, Seiten 1 bis 4) entnommen werden. Die betreffende Schrift
offenbart einen External Cavity Diodenlaser, der eine Strahlleistung
von etwa 2 mW zeigt und mit hoher Genauigkeit innerhalb des Wellenlängenbereichs
von etwa 1365 bis 1375 nm abstimmbar ist. Weiterhin kann die Lichtquelle 1 ebenso
unter industriellen Bedingungen verwendet werden, d.h. sie behält die vorstehend
genannten Eigenschaften unter Bedingungen, die für eine industrielle Anwendung charakteristisch
sind, im Wesentlichen in der Anwesenheit von Vibrationen und Temperaturschwankungen.
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Die
Messzelle 2 und die Referenzzelle 3 sind eine
nach der anderen hinter der Lichtquelle 1 angeordnet, bevorzugt
ausgerichtet damit, in dem Weg des beleuchtenden Lichtstrahls 6,
der aus der Lichtquelle 1 austritt. Die Messzelle 2 und
die Referenzzelle 3 sind mit optischen Fenstern 10 in
der Richtung der Ausbreitung des Lichtstrahls 6 versehen.
Die optischen Fenster 10 übertragen den Lichtstrahl 6 ohne deutlichen
Intensitätsverlust,
d.h. sie sind fast nicht absorbierend. Die Messzelle 2 ist
ebenso mit einem Gaseinlass 7 und einem Gasauslass 8 ausgerüstet; die
zu untersuchende Gasmischung tritt durch diese Mittel in die Messzelle 2 ein
und daraus aus. Die Referenzzelle 3 enthält die zu
erfassende Komponente in einer hohen Konzentration, d.h. im Falle
der Erfassung von Wasserdampf ist sie mit einem Gas von atmosphärischem
Druck gefüllt,
das vollständig
oder fast vollständig
mit Wasserdampf gesättigt
ist. Das verwendete Gas (welches aus Gründen der Einfachheit in dem
vorliegenden Fall Umgebungsluft ist) absorbiert selbst nicht allein
innerhalb des Abstimmbereichs der Lichtquelle 1, d.h. ohne
Wasserdampfgehalt, und erzeugt daher kein akustisches Signal von erfassbarer
Größenordnung.
Die Messzelle 2 und die Referenzzelle 3 sind akustisch
optimalisiert, d.h. sie sind durch die Unterdrückung von externen Geräuschen gekennzeichnet,
welche die Messung zufällig stören, oder
im Falle der Messzelle 2, von Geräuschen, die durch die Gasmischung
erzeugt werden, die in einem kontinuierlichen Durchfluss-Betriebsmodus
der Vorrichtung durch die Messzelle 2 fließt. Weiterhin
sind die Messzelle 2 und die Referenzzelle 3 geometrisch
in einer solchen Weise ausgebildet, dass Druckwellen (d.h. Schall),
die sich darin aufgrund der Absorption des periodisch modulierten
(mit einer Frequenz in dem kHz Bereich) beleuchtenden Lichtstrahls 6 ausbreiten,
durch die Zellen in einer resonanten Weise verstärkt werden, was die Erfassung des
erzeugten Schalls durch die Mikrofone 9 von hoher Empfindlichkeit
erleichtert.
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Die
elektronische Einheit 4 ist angepasst, um zum Steuern des
Stroms und der Temperatur der beleuchtenden Lichtquelle 1 und
zum Modulieren der optischen Leistung davon geeignet zu sein, zum
Abstimmen der Wellenlänge
des Lichtstrahls 6 über
einen gegebenen Bereich, zum Verstärken der elektronischen Signale,
die durch die Mikrofone 9 in den Zellen erzeugt werden,
zum Unterdrücken
von Rauschen bzw. Geräuschen,
Mittelwertbilden (im Bedarfsfall), Umwandeln in digitale Signale
und Verarbeiten der verstärkten
Mikrofonsignale. Das bedeutet, dass die elektronische Einheit 4 zum
Ausführen der
vorstehenden Vorgänge
verschiedene elektronische Untereinheiten enthält, die per se bekannt sein.
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Der
Personalcomputer 5 ist mit einer Software ausgerüstet, die
das foto-akustische Erfassungsverfahren (das später im Detail diskutiert werden
soll) gemäß der Erfindung
in einer automatisierten Weise ausführt und mit der elektronischen
Einheit 4 kommuniziert. Weitere Details und der Aufbau
von einzelnen Komponenten der foto-akustischen Vorrichtung, die verwendet
wird, um das vorliegende Messverfahren auszuführen, kann z.B. der Schrift
von Z. Bozoki et al entnommen werden (veröffentlicht in Measurement Scientific
Technology, Nr. 10, 1999, Seiten 999 bis 1003). Diese Schrift offenbart
eine automatische Erfassungstechnik zum Bestimmen eines nicht-stationären Wasserdampfgehalts
eines Gases (insbesondere synthetischer Luft) mit einer voreingestellten
Zusammensetzung.
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Das
auf Fotoakustik basierende Erfassungsverfahren zum Messen eines
Wasserdampfgehalts einer methanhaltigen Gasmischung mit variierender Zusammensetzung
umfasst grundlegend drei Schritte. In einem ersten Schritt wird
ein Wellenlängenbereich
gewählt,
der für
die Messung geeignet ist, dieser Schritt wird von einem vereinfachten
Kalibrierungsschritt gefolgt, und schließlich wird der Wasserdampfgehalt
der gegebenen Gasmischung bestimmt.
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Beim
Auswählen
des angemessenen Wellenlängenbereichs
wird der Abstimmbereich der verfügbaren
Lichtquelle 1 berücksichtigt.
Der Distributed Feedback Diodenlaser oder der External Cavity Diodenlaser,
der als die Lichtquelle 1 verwendet wird, kann vergleichsweise
schnell, verlässlich
und reproduzierbar nur in einem schmalen Wellenlängenbereich abgestimmt werden
(der eine typische Breite von höchstens
1 nm aufweist). Demgemäß sollte
der gesamte Wellenlängenbereich
der Messung ausgewählt
werden, bevorzugt weniger als 1 nm zu betragen. Es ist eine wohlbekannte
Tatsache, dass nur Moleküle,
die aus wenigen (typischerweise höchstens fünf) Atomen aufgebaut sind,
separate Rotationsbänder
in deren Spektren bei Atmosphärendruck zeigen.
Daher zeigen nur diese Moleküle
ein strukturiertes Absorptionsspektrum in Wellenlängenbereichen
schmaler als 1 nm in der Breite. Wenn das Wellenlängen-Abstimmen
in einem Bereich von 1 nm Breite stattfindet, erscheint die Absorption
von größeren Molekülen als
ein breiter, nicht charakteristischer, im Wesentlichen konstanter
Hintergrund.
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Im
Lichte des Vorstehenden wird zum Ausführen einer Messung, die auf
die quantitative Bestimmung des Wasserdampfgehalts von insbesondere
Erdgas abzielt, ein (Wellenlängen)
Bereich von höchstens
1 nm in der Breite gewählt,
wobei
- 1) unter den Komponenten, die in einer
zu untersuchenden Gasprobe nur Methan und Wasser eine strukturierte
Absorption zeigen, d.h. alle die anderen Moleküle, die ebenso nur wenige Atome enthalten
(so wie z.B. Kohlendioxid), zeigen keine messbare Absorption in
dem gegebenen Wellenlängenbereich;
- 2) es mindestens zwei charakteristische (d.h. in der Wellenlänge gut
identifizierbare) Methan-Absorptionslinien gibt, die gleichsam Absorptionsmaxima
oder -Minima sein können,
die in einem Ausmaß voneinander
beabstandet sind, das sowohl bezüglich
deren Wellenlängen
als auch den Ausmaßen
von deren Absorption abseits von dem Rauschen der Messung liegt,
und Wasser weiterhin so gering wie möglich bei den Wellenlängen absorbiert,
die diesen Methanlinien zugeordnet sind. Oder, um es auf eine andere
Art zu formulieren, dieses letztere Merkmal bedeutet, dass die Absorptionslinien
von Wasser die Absorptionslinien von Methan, die auf die betreffenden
Wellenlängen
zentriert sind, in dem geringsten möglichen Ausmaß überlappen.
Natürlich
weisen die Gaskomponenten, die in breiten Bändern absorbieren, ebenso einen
Absorptionsbeitrag bei diesen Wellenlängen auf. Die genannten Absorptionslinien
von Methan sind bevorzugt in einer solchen Weise ausgewählt, dass
die Differenz in den Absorptionswerten, die dem entspricht, so groß wie möglich ist.
Es sei angemerkt, dass die Verlässlichkeit
des Verfahrens in einem großen
Ausmaß erhöht wird,
wenn die an den betreffenden Methanlinien erhaltenen foto-akustischen
Signale nicht für
eine einzelne Wellenlänge
bestimmt werden, sondern um diese Wellenlänge herum gemittelt werden;
- 3) es mindestens eine charakteristische Wasser-Absorptionslinie
gibt, bei der Wellenlänge,
bei der Wasser deutlich absorbiert, und diese Wasser-Absorptionslinie
weiterhin eine Position zwischen einem Paar charakteristischer Methan-Absorptionslinien
einnimmt, wobei die Methan-Absorption sich bei der zu dieser Position
gehörenden
Wellenlänge
oder in ihrer nahen Umgebung nur wenig ändert oder fast konstant ist.
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Unsere
Forschungen haben uns zu dem Schluss geführt, dass ein Wellenlängenbereich,
der etwa an der Wasser-Absorptionslinie von 1370,96 zentriert ist
und eine Gesamtbreite von höchstens
1 nm aufweist, die vorstehend ausgeführten Kriterien vollständig erfüllt. Weiterhin
können
Positionen von charakteristischen Linien in diesem Bereich unzweideutig
definiert werden, was die Automation/Computerisierung des Vorgangs
gestattet.
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Eine
Position (d.h. Wellenlänge)
einer Wasser-Absorptionslinie, die für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung geeignet ist, wird wie. folgt definiert: ein Lichtstrahl 6,
der aus der Lichtquelle 1 austritt, wird durch die Referenzzelle 3 geleitet,
die mit dem Intergas von Atmosphärendruck
gefüllt
ist, das mit Wasserdampf gesättigt
oder fast gesättigt
ist. Inzwischen wird die Wellenlänge
des Lichtstrahls 6 in feinen Schritten über den Abstimmbereich durchgefahren,
und ein foto-akustisches Signal wird bei jeder Wellenlänge aufgezeichnet.
Das so erhaltene foto-akustische Absorptionsreferenzspektrum für Wasserdampf,
aufgetragen gegen die Änderung
in der Wellenlänge
(ausgedrückt
in relativen Einheiten) des Lichtstrahls 6 ist in 2 durch
die gestrichelte Linie gezeigt. Die geeignete Absorptionslinie von
Wasserdampf ist nur die charakteristische Spitze 14 des
so erhaltenen Wasserdampfspektrums. Die Schwierigkeit der Erfassung
des Wasserdampfgehalts von Erdgas mittels einer auf Fotoakustik
basierenden Messung ist klar durch die durchgezogene Linie in 2 dargestellt,
die durch Aufzeichnen der foto-akustischen Signale erzeugt wurde,
die in einer ähnlichen Messung
auftreten, jedoch für
eine Erdgasprobe mit einem stationären Wasserdampfgehalt. Diese
Kurve von 2 zeigt klar, dass in einem
für die
Erdgasprobe aufgenommenen Spektrum die charakteristischen Methanlinien 12, 13 merklich
die charakteristische Wasserdampf-Spitze 14 unterdrücken; in
diesem Spektrum zeigt sich die charakteristische Wasserdampf-Spitze 14 nur
als eine kleine Spitze 11. Dies bedeutet, dass durch ausschließliches
Berücksichtigen
des Spektrums der Erdgasprobe die Position der Wasser-Absorptionslinie überhaupt
nicht, oder nur sehr ungenau definiert werden könnte. Daher ist es in dem Messverfahren
gemäß der Erfindung
immer die Rolle der Referenzzelle 3, genaue Positionen
von Wasserdampflinien in den foto-akustischen Spektren bereitzustellen,
die in der mit der zu untersuchenden Gasmischung gefüllten Messzelle 2 aufgenommen werden,
d.h. in dem vorliegenden Fall mit dem Erdgas, welches Wasserdampf
enthält.
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Während der
Kalibrierung, anders als bei den heutzutage verwendeten Verfahren,
wird das Verhältnis
der verschiedenen nicht-Wasser-Komponenten der Gasmischung, die
durch die Messzelle 2 geleitet wird, nicht modifiziert,
nur der Wasserdampfgehalt des Gases, das zur Kalibrierung verwendet wird,
wird verändert.
Es ist wichtig, dass eine Kenntnis der Zusammensetzung des Kalibriergases
keine Voraussetzung für
die Anwendung des vorliegenden Verfahrens ist. Zum Abschließen der
Kalibrierung wird jedoch bevorzugt eine solche Gasprobe verwendet,
deren Zusammensetzung (unter Berücksichtigung
des Methangehalts, von Kohlenwasserstoffkomponenten, die schwerer
sind als Methan, etc.) der einer nachfolgend zu erfassenden Gasmischung ähnelt. Die
einzige wesentliche Anforderung, die von dem Kalibriergas eingehalten
werden muss, ist, dass der Methangehalt messbar sein sollte.
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In
einem ersten Schritt der Kalibrierung wird eine methanhaltige Gasprobe
(die bevorzugt eine ähnliche
Zusammensetzung wie die der Gasmischung aufweist, und bevorzugt
Wasserdampf in niedrigen Konzentrationen enthält) durch die Messzelle 2 geleitet,
und währenddessen
bzw. inzwischen wird für
diese Gasprobe das foto-akustisches Spektrum aufgezeichnet, indem
die Wellenlänge
der Lichtquelle 1 über
den gewählten
Wellenlängenbereich abgestimmt
bzw. durchgestimmt wird. Als nächstes werden
charakteristische Methan-Absorptionsstellen definiert, die gleichermaßen Positionen
(in Wellenlängen)
von Absorptionsminima als auch -Maxima in diesem foto-akustischen
Spektrum sein können.
Danach wird eine Quantität
bzw. Größe Xc, die nur von der Methankonzentration abhängt, von
den Konzentrationen anderer Komponenten des Kalibriergases aber
unabhängig
ist, an den gewählten
Stellen berechnet. Falls insbesondere zwei charakteristische Methan-Absorptionsstellen
ausgewählt
werden, kann diese Größe z.B.
als eine Differenz zwischen den foto-akustischen Signalstärken definiert
werden, die an den zwei Stellen gemessen werden (d.h. bei den zwei
charakteristischen Methan-Absorptions-Wellenlängen). Die so erhaltene Größe Xc ist direkt proportional zu dem Methangehalt
der Gasprobe. Zusätzlich
zu dieser Größe wird
ebenso die foto-akustische Signalstärke Yc an
einer der betreffenden Methan-Absorptions-Stellen bestimmt.
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In
einem zweiten Schritt der Kalibrierung werden Gasproben von gegebenen
Zusammensetzungen mit verschiedenen Gehalten an Wasserdampf sukzessive
durch die Messzelle 2 geleitet, und mittels der Lichtquelle 1,
die auf die charakteristische Wasserlinie eingestellt ist, die von
der Referenzzelle 3 unzweideutig festgelegt wird, werden
die foto-akustischen
Spektren aufgezeichnet. Auf diese Weise wird die Abhängigkeit
des foto-akustischen
Signals von Wasserdampf bestimmt. Gasproben von vollkommen identischer
Zusammensetzung, aber mit verschiedenem Wassergehalt werden z.B.
vorbereitet durch die Schritte des Teilens einer anfänglichen trockenen
Gasprobe in zwei Ströme
mittels geeigneter Elemente, Versetzen mit Wasser z.B. mittels Durchleiten
durch Wasser und/oder Wasserdampf, und dann Mischen des so mit Wasser
versetzten Stroms mit dem trockenen Strom in verschiedenen Verhältnissen.
Natürlich
können
die Gasproben mit verschiedenem Wasserdampfgehalt auch auf andere Weine
vorbereitet werden; nichtsdestotrotz ist das hier beschriebene Verfahren
insbesondere geeignet, um in einer vollständig automatisierten Weise
ausgeführt
zu werden.
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Es
sei angemerkt, dass auch für
eine vollkommen trockene Gasprobe ein foto-akustisches Signal einer
von Null verschiedenen Stärke
an den gewählten
charakteristischen Wasserdampf-Absorptionslinien erfasst werden
kann. Dies rührt
einerseits von dem Methan her, und andererseits von anderen Komponenten,
die ebenso in der Gasprobe vorhanden sind.
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Nachdem
die Kalibrierung der Messvorrichtung abgeschlossen worden ist, d.h.
nachdem die Abhängigkeit
des foto-akustischen Signals von der Wasserdampfkonzentration für eine feste
Kohlenwasserstoff-Zusammensetzung aufgedeckt worden ist, kann der
Wasserdampfgehalt einer methanhaltigen Gasmischung, die in der Zusammensetzung
variiert, ebenso mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Zu diesem
Zweck wird die zu untersuchende Gasmischung durch die Messzelle 2 geleitet,
und mittels Durchstimmen der Lichtquelle 1 in der Wellenlänge und
durch Modulieren des Lichtstrahls 6 in der Intensität gemäß den foto-akustischen Messtechniken wird
ihr foto-akustisches Spektrum in dem gewählten Messbereich aufgezeichnet.
Als ein nächster
Schritt wird eine Größe Xm als die Differenz der foto-akustischen
Signalstärken
berechnet, die für
die Gasmischung an den charakteristischen Absorptionsstellen erhalten
worden sind, die vorhergehend in dem Kalibrierungsschritt ausgewählt worden
sind. Die so erhaltene Größe hängt ausschließlich von
der Methankonzentration ab. Jetzt wird unter Heranziehen der in einer ähnlichen
Weise während
der Kalibrierung erhaltenen Größe Xc ein Verhältnis Xc/Xm erzeugt, und durch Multiplizieren des im
vorherigen Schritt erhaltenen Spektrums mit diesem Verhältnis wird
ein weiteres Spektrum abgeleitet, das unabhängig ist von Änderungen
in der Methankonzentration, die bei der Messung als eine Funktion
der Zeit auftreten. Dieses letztere Spektrum hängt nicht von Änderungen
in der Methankonzentration in Bezug auf die Zeit ab, da im Falle
einer Änderung
in der Konzentration die Absorptionslinien des Methanspektrums proportional
zu einander variieren. Die Multiplikation des Spektrums mit dem
Verhältnis
Xc/Xm wird erhalten
durch Multiplikationen mit dem Verhältnis Xc/Xm der einzelnen foto-akustischen Signale,
die für
jede Wellenlänge
in dem Messbereich erhalten worden sind.
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Das
Spektrum wird dann „verschoben" entlang der foto-akustischen
Signalachse (d.h. entlang der vertikalen Achse), bis die foto-akustische
Signalstärke
Ym, die an einer der Methan-Absorptionsstellen
gemessen worden ist, gleich der foto-akustischen Signalstärke Yc wird, die während der Kalibrierung erhalten
worden ist (dieser Schritt ist eigentlich äquivalent mit einer Verschiebung
des Spektrums um den Wert |Yc–Ym|). Die Anwendung dieser Transformation beseitigt
den Messfehler aufgrund der Konzentrationsänderung mit der Zeit von Gaskomponenten,
welche den breiten Absorptionshintergrund in dem Messbereich erzeugen.
Schließlich
wird unter Anwendung der Kalibrierungsergebnisse bei der Wellenlänge der
charakteristischen Wasser-Absorptionslinie, die genau durch die
Referenzzelle 3 festgelegt ist, die Wasserdampfkonzentration
einer Gasprobe mit nicht stationärer
Zusammensetzung aus dem dafür
erhaltenen foto-akustischen Signal abgeleitet. Hier (d.h. für eine Gasmischung
mit einer Zusammensetzung, die sich von der der Gasprobe unterscheidet,
die für
die Kalibrierung verwendet worden ist) halten die in dem Kalibrierungsvorgang
vorhergehend erhaltenen Ergebnisse vollständig, da das foto-akustische Spektrum,
das für
die zu untersuchende Gasmischung aufgezeichnet worden ist, durch
die Multiplikations- und Verschiebevorgänge in ein Spektrum transformiert
bzw. umgewandelt wurde, wie es in dem Kalibrierungsschritt erzeugt
wurde.
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Wenn
nur wenige Messungen auszuführen sind
(z.B. um den Wassergehalt des an eine Gasleitung ausgegebenen Erdgases
zu überprüfen), kann das
vorstehend ausgeführte
Erfassungsverfahren manuell ausgeführt werden. Wenn jedoch viele
aufeinander folgende Messungen erforderlich sind (z.B. in dem Falle
einer kontinuierlichen Überwachung
eines Wasserdampfgehalts), kann das vorliegende Erfassungsverfahren
ausgeführt
werden, indem ein geeignetes Computerprogramm in dem Personalcomputer 5 ausgeführt wird,
d.h. in einer automatischen Weise. 3 stellt
die Änderung
des Wasserdampfgehalts als eine Funktion der Zeit dar, kontinuierlich gemessen
in einem 12-Tage-Zeitraum, mit dem Verfahren gemäß der Erfindung, um Erdgas
zu überwachen,
das aus einer Gasquelle entnommen, vorbehandelt und dann an eine
Gasleitung ausgegeben wird; die Messungen wurden in einer vollständig automatisierten
Weise ausgeführt.
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Kurz
zusammengefasst stellt das auf Fotoakustik basierende Verfahren
gemäß der Erfindung
einen hochpräzisen
und extrem empfindlichen Erfassungsvorgang bereit (innerhalb einer
Grenze von nur etwa 0,5 ppm), um einen Wasserdampfgehalt einer methanhaltigen
Gasmischung mit variierender Zusammensetzung zu messen, bevorzugt
von Erdgas, das nach einer Vorbehandlung an eine Gasleitung ausgegeben
wird. Das vorliegende Verfahren kann leicht automatisiert werden,
ist auch unter industriellen Bedingungen in der Praxis anwendbar,
und kann kontinuierlich ohne Unterbrechung ausgeführt werden.
Eine wesentliche Eigenschaft des Verfahrens ist, dass es sogar für merkliche
Methangehalte genaue und verlässliche
Ergebnisse ergibt. Ein anderes vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist, dass sie erfolgreich auch in solchen Fällen verwendet werden
kann, in denen die zu messende Gasmischung unvermeidliche alkoholische
Dampfrückstände von
den vorherigen Vorbehandlungsvorgängen enthält. Der Grund dafür ist, dass
alkoholische Dämpfe
eine breite, Wellenlängen-unabhängige Absorption
in dem gemäß der Erfindung
gewählten Messbereich
bei Atmosphärendrücken zeigen,
und daher deren Einfluss von den erhaltenen Signalen separiert werden
kann. Dieses letztere Merkmal stellt einen grundlegenden Unterschied
und einen wichtigen Vorteil im Vergleich mit anderen Erfassungsverfahren
für Wasserdampf
dar (z.B. Taupunkt-Messungen basierend auf Kondensation), wobei
die Anwesenheit von alkoholischen Dämpfen das Ergebnis der Messung
in einem inakzeptablen Ausmaß stört.
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Ein
weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung ist, dass eine
Netto-Konzentration von Kohlenwasserstoff-Komponenten, die schwerer
sind als Methan, die in der zu untersuchenden Gasmischung vorliegen,
durch seine Verwendung ebenso auf eine einfache und genaue Weise
bestimmt werden kann.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein foto-akustisches Erfassungsverfahren
zum Messen der Konzentration einer Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente
einer methanhaltigen Gasmischung. Das Wesentliche des Verfahrens
ist, dass das foto-akustische Absorptionsspektrum für die Gasmischung über einen
gewählten
Wellenlängenbereich
aufgezeichnet wird, während
die Gasmischung kontinuierlich durch die Messvorrichtung fließt, und
dann zum Bestimmen der Konzentration der Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente das so
erhaltene Spektrum in Kombination mit einem foto-akustischen Signal
verwendet wird, das von einer Referenzzelle (3) erzeugt
wird, die mit einem Gas mit vordefinierten Eigenschaften gefüllt ist.
Die methanhaltige Gasmischung und die Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponente sind bevorzugt
gewählt,
Erdgas, das an Gasleitungen ausgegeben werden soll, bzw. Wasserdampf
zu sein. Die Erfindung ermöglicht
daher eine Erfassung eines Wasserdampfgehalts in Erdgas mit hoher
Genauigkeit, sogar unter industriellen Bedingungen, in so geringen
Konzentrationen wie etwa 0,5 ppm.