ITBZ20130046A1 - MEASUREMENT DEVICE FOR THE CONCENTRATION OF A GAS MIXTURE - Google Patents
MEASUREMENT DEVICE FOR THE CONCENTRATION OF A GAS MIXTUREInfo
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Description
Titolo: “Dispositivo per la misurazione della concentrazione di un a miscela di gas” Title: "Device for measuring the concentration of a gas mixture"
La presente invenzione si riferisce a un dispositivo per la misurazione della concentrazione di una miscela di gas. The present invention refers to a device for measuring the concentration of a gas mixture.
Per la misurazione della concentrazione di gas nell'ambiente vengono impiegati dispositivi di misurazione. Measuring devices are used to measure the gas concentration in the environment.
Un tipo di dispositivo comunemente utilizzato per la misurazione di gas è un sistema a laser. Questi dispositivi vengono sopratutto utilizzati per misurare i gas in vicinanza di reti di tubazione per rilevare eventuali perdite. One type of device commonly used for gas measurement is a laser system. These devices are mainly used to measure gases in the vicinity of piping networks to detect any leaks.
Per rilevare piccole quantità di gas nell'ambiente si utilizza la spettrografia. Questa tecnica consiste di nell'emettere un'onda elettromagnetica ad una frequenza predefinita che viene assorbita dal gas, per il rilevamento del quale il sistema è progettato. Questa onda viene fatta passare attraverso la miscela del gas. La quantità di energia assorbita definisce la concentrazione di gas presente nella miscela. Questo sistema viene sopratutto utilizzato per misurare metano nell'ambiente. Per aumentare la sensibilità del sistema deve essere aumentato il percorso ottico della onda elettromagnetica. L'onda elettromagnetica che normalmente è un raggio laser viene emessa da un diodo laser. Spectrography is used to detect small amounts of gas in the environment. This technique consists of emitting an electromagnetic wave at a predefined frequency which is absorbed by the gas, for the detection of which the system is designed. This wave is passed through the gas mixture. The amount of energy absorbed defines the concentration of gas present in the mixture. This system is mainly used to measure methane in the environment. To increase the sensitivity of the system, the optical path of the electromagnetic wave must be increased. The electromagnetic wave which is normally a laser beam is emitted by a laser diode.
Questo viene fatto riflettendo il raggio laser con specchi disposti sui lati dello spazio di analisi. In questo modo viene aumentato il percorso ottico del raggio. Celle del genere vengono comunemente chiamate celle di Herriott. This is done by reflecting the laser beam with mirrors arranged on the sides of the analysis space. This increases the optical path of the beam. Such cells are commonly referred to as Herriott cells.
Esistono continui miglioramenti per aumentare la sensibilità del sistema di misurazione, aumentare la suo capacità e riducendo i costi di realizzazione. There are continuous improvements to increase the sensitivity of the measurement system, increase its capacity and reduce construction costs.
Dalla EP 1 647 820 è noto un dispositivo per la misurazione di un gas prescelto in un campione di gas che comprende una cella con un asse centrale, un corpo cavo anulare circondante questo corpo asse e due specchi anulari disposti alle due estremità della cella. Portando la struttura portante verso l'interno dello spazio di analisi e portando la superficie riflettente degli specchi verso l'esterno del diametro del dispositivo si è tentato di ridurre le dimensioni della cella. From EP 1 647 820 a device for measuring a preselected gas in a gas sample is known which comprises a cell with a central axis, an annular hollow body surrounding this axis body and two annular mirrors arranged at the two ends of the cell. By bringing the supporting structure towards the inside of the analysis space and bringing the reflecting surface of the mirrors towards the outside of the diameter of the device, an attempt was made to reduce the dimensions of the cell.
Lo scopo della presente invenzione è di realizzare un dispositivo di misurazione gas perfezionato con dimensioni ridotte e con capacità di rilevamento aumentate. The object of the present invention is to provide an improved gas metering device with reduced dimensions and with increased detection capabilities.
Lo scopo viene raggiunto da un dispositivo di misurazione di un gas predeterminato comprendente, una cella con un involucro che racchiude un primo spazio di analisi di gas, un dispositivo di emissione di un'onda elettromagnetica, un primo specchio disposto ad una estremità dello primo spazio di analisi ed un secondo specchio disposto all'estremità opposta rispetto al primo specchio dello primo spazio di analisi, un primo sensore di rilevamento disposto ad una estremità del primo spazio di analisi e un secondo sensore di rilevamento per il centraggio dell'onda elettromagnetica, e una cella di riferimento e che gli almeno due sensori di rilevamento sono collegati ad almeno una elettronica di controllo e acquisizione è che al dispositivo di emissione di un'onda elettromagnetica e collegato un generatore di frequenza per immettere una frequenza definita nell'onda elettromagnetica e che almeno fra almeno un sensore di rilevamento e l'elettronica di controllo e acquisizione è interposto almeno un dispositivo per misurare la l'intensità nell'onda elettromagnetica una frequenza per esempio un rilevatore di fase o un mixer. The object is achieved by a device for measuring a predetermined gas comprising, a cell with a casing that encloses a first gas analysis space, a device for emitting an electromagnetic wave, a first mirror arranged at one end of the first space and a second mirror arranged at the opposite end with respect to the first mirror of the first analysis space, a first detection sensor arranged at one end of the first analysis space and a second detection sensor for centering the electromagnetic wave, and a reference cell and that the at least two detection sensors are connected to at least one control and acquisition electronics is that a frequency generator is connected to the device for emitting an electromagnetic wave to input a defined frequency in the electromagnetic wave and that at least between at least one detection sensor and the control and acquisition electronics is interposed at least no a device for measuring the intensity in the electromagnetic wave a frequency for example a phase detector or a mixer.
In questa conformazione il percorso dell'onda elettromagnetica può essere ridotto. La risoluzione del dispositivo secondo l'invenzione aumenta la soluzione rispetto al percorso ottico. Però in una forma di realizzazione preferita deve essere inserito almeno un amplificatore di segnale. In questo modo le variazioni anche più piccole possono essere misurate. In this conformation the path of the electromagnetic wave can be reduced. The resolution of the device according to the invention increases the solution with respect to the optical path. However, at least one signal amplifier must be inserted in a preferred embodiment. In this way even the smallest variations can be measured.
Riducendo il percorso ottico del laser mantenendo la risoluzione di misurazione il volume del gas da inserire può essere ridotto. In questo modo è richiesto un minore impiego per esempio di una pompa che campiona il gas nello spazio di analisi. Inoltre avendo un volume ridotto la misurazione avviene in un tempo minore. By reducing the optical path of the laser while maintaining the measurement resolution, the volume of gas to be inserted can be reduced. In this way, less use is required, for example of a pump that samples the gas in the analysis space. Furthermore, having a small volume, the measurement takes place in a shorter time.
Con il sistema secondo l'invenzione in una forma di realizzazione preferita può essere ridotto il numero di sensori di rilevamento che sono per esempio fotodiodi. With the system according to the invention, the number of detection sensors which are for example photodiodes can be reduced in a preferred embodiment.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi risultano in modo non limitativo dalla seguente descrizione di un preferito esempio di realizzazione descritto per mezzo delle Figure e dalle rivendicazioni dipendenti. Le figure mostrano: Further characteristics and advantages result in a non-limiting way from the following description of a preferred embodiment described by means of the Figures and the dependent claims. The figures show:
la Figura 1 una sezione di un dispositivo secondo l'invenzione, e Figure 1 a section of a device according to the invention, and
la Figura 2 una rappresentazione schematica del dispositivo secondo l'invenzione. Figure 2 is a schematic representation of the device according to the invention.
Il dispositivo di misurazione 1 di un gas predeterminato comprende una cella 10 . The measuring device 1 of a predetermined gas comprises a cell 10.
Questa cella 10 tubolare presenta un involucro 11 che racchiude un primo spazio 12 di analisi di gas. This tubular cell 10 has a casing 11 which encloses a first gas analysis space 12.
Almeno un dispositivo di emissione di un onda elettromagnetica 3 è disposto ad una estremità della cella tubolare 10 al di fuori dello spazio di analisi 12. Questo dispositivo 3 in una forma di realizzazione preferita è un laser 3. Questo dispositivo di emissione di un'onda elettromagnetica 3 viene alimentato mediante un generatore 9. In una forma di realizzazione preferita è presente un dispositivo di stabilizzazione della temperatura per garantire un ottimale funzionamento sia del dispositivo di emissione di un onda elettromagnetica 3 che degli altri componenti elettrici e meccanici, inoltre per garantire condizioni di misurazione in parametri prestabiliti. At least one electromagnetic wave emission device 3 is arranged at one end of the tubular cell 10 outside the analysis space 12. This device 3 in a preferred embodiment is a laser 3. This wave emission device electromagnetic 3 is powered by a generator 9. In a preferred embodiment there is a temperature stabilization device to ensure optimal operation of both the device for emitting an electromagnetic wave 3 and of the other electrical and mechanical components, in addition to guarantee conditions measurement in predetermined parameters.
Un primo specchio 4 cosiddetto specchio di ingresso è interposto fra il dispositivo di emissione di un'onda elettromagnetica3 e il primo spazio di analisi 12 ad una estremità del primo spazio di analisi 12. Questo cosiddetto specchio di ingresso 4 lascia passare l'onda elettromagnetica di ingresso e lo rispecchia nello spazio di analisi. In una forma di realizzazione preferita è presente un'apertura per il passaggio dell'onda elettromagnetica A first mirror 4, the so-called input mirror, is interposed between the device for emitting an electromagnetic wave 3 and the first analysis space 12 at one end of the first analysis space 12. This so-called input mirror 4 lets the electromagnetic wave pass through entrance and reflects it in the analysis space. In a preferred embodiment there is an opening for the passage of the electromagnetic wave
Un secondo specchio 5 è disposto all'estremità opposta del primo spazio di analisi 12 rispetto al primo specchio 4. A second mirror 5 is arranged at the opposite end of the first analysis space 12 with respect to the first mirror 4.
Questo cosiddetto specchio di uscita 5 lascia uscire l'onda elettromagnetica dallo spazio di analisi dopo che questo ha percorso una distanza sufficiente. In una forma di realizzazione preferita è presente un'apertura per il passaggio dell'onda elettromag netica . This so-called exit mirror 5 lets the electromagnetic wave exit from the analysis space after it has traveled a sufficient distance. In a preferred embodiment there is an opening for the passage of the electromagnetic wave.
Dietro questo secondo specchio di uscita è disposto un sensore di rilevamento 6, in particolare un diodo di rilevamento. Behind this second output mirror there is a detection sensor 6, in particular a detection diode.
Nel momento in cui lo specchio di uscita 5 è comandato a far passare l'onda elettromagnetica, questo diodo 6 rileva l'intensità dell'onda elettromagnetica. When the output mirror 5 is commanded to pass the electromagnetic wave, this diode 6 detects the intensity of the electromagnetic wave.
In una forma di realizzazione preferita questo rilevamento può avvenire contemporaneamente per rilevare la concentrazione media di gas, sia per rilevare le basse concentrazione di gas sullo stesso sensore di rilevamento In a preferred embodiment this detection can occur simultaneously to detect the average gas concentration, and to detect low gas concentrations on the same detection sensor.
Questo avviene per mezzo del collegamenti del sensore di rilevamento 6 e l'elettronica di controllo e acquisizione 42. In un primo collegamento viene rilevata l'energia dell'onda. This occurs by means of the connections of the detection sensor 6 and the control and acquisition electronics 42. In a first connection, the energy of the wave is detected.
Per il secondo rilevamento durante la generazione dell'onda elettromagnetica viene inserito nell'onda per mezzo del generatore di frequenze radio 43 una frequenza. Il sensore 6 e collegato ad un dispositivo 41 per misurare l'intensità di una frequenza nell'onda. Questo dispositivo per misurare l'intensità di una frequenza nell'onda 41 misura l'intensità della frequenza nell'onda elettromagnetica e passa i risultati all'elettronica di controllo e acquisizione 42. Il dispositivo 41 per misurare l'intensità di una frequenza nell'onda è collegato anche con il generatore di frequenza radio 43. For the second detection during the generation of the electromagnetic wave, a frequency is inserted into the wave by means of the radio frequency generator 43. The sensor 6 is connected to a device 41 for measuring the intensity of a frequency in the wave. This device for measuring the intensity of a frequency in the wave 41 measures the intensity of the frequency in the electromagnetic wave and passes the results to the control and acquisition electronics 42. The device 41 for measuring the intensity of a frequency in the wave is also connected with the radio frequency generator 43.
Questo diodo di rilevamento 6 è collegato con il dispositivo 41 per misurare l'intensità di una frequenza nell'onda e l'elettronica di controllo e acquisizione. This detection diode 6 is connected with the device 41 for measuring the intensity of a frequency in the wave and the control and acquisition electronics.
In una forma di realizzazione preferita in entrambi i casi un amplificatore 40 è interposto fra il diodo di rilevamento 6 e il dispositivo per misurare l'intensità di una frequenza nell'onda 41 e con l'elettronica di controllo e acquisizione 42. In a preferred embodiment in both cases an amplifier 40 is interposed between the detection diode 6 and the device for measuring the intensity of a frequency in the wave 41 and with the control and acquisition electronics 42.
Un secondo sensore di rilevamento 14 per il centraggio dell'onda elettromagnetica è disposto in un cella di riferimento Anche questo sensore 14 in una forma di realizzazione preferita è un diodo di rilevamento. A second detection sensor 14 for centering the electromagnetic wave is arranged in a reference cell. Also this sensor 14 in a preferred embodiment is a detection diode.
Questo diodo di rilevamento 14 è collegato con il dispositivo 41 per misurare l'intensità di una frequenza nell'onda e l'elettronica di controllo e acquisizione. In una forma di realizzazione preferita è interposto un amplificatore 40 fra il diodo di rilevamento 14 e il dispositivo per misurare l'intensità di una frequenza nell'onda 41 e l'elettronica di controllo e acquisizione 42. This detection diode 14 is connected with the device 41 for measuring the intensity of a frequency in the wave and the control and acquisition electronics. In a preferred embodiment an amplifier 40 is interposed between the detection diode 14 and the device for measuring the intensity of a frequency in the wave 41 and the control and acquisition electronics 42.
In una forma di realizzazione preferita fra lo specchio di ingresso 4 e il dispositivo di emissione di un'onda elettromagnetica 3 è interposto un splitter di fascio 8. Questo elemento divide l'onda elettromagnetica emessa dal dispositivo di emissione luce 3. In a preferred embodiment, a beam splitter 8 is interposed between the input mirror 4 and the electromagnetic wave emitting device 3. This element divides the electromagnetic wave emitted by the light emitting device 3.
In questo modo serve un solo dispositivo di emissione raggio luce 3 che in una forma di realizzazione preferita è un diodo laser. In this way, only one light beam emission device 3 is needed, which in a preferred embodiment is a laser diode.
L'onda elettromagnetica emessa dal dispositivo di emissione luce 3 passa attraverso una secondo spazio di analisi 20 secondo l'invenzione. Questo spazio di analisi 20 è disposto in modo che il raggio passi attraverso il sensore di rilevamento disposto 14 nella cella riferimento per rilevare il raggio. In questo modo il sensore di rilevamento che in una forma preferita è un diodo di rilevamento può misurare sia il valore del gas di riferimento e effettuare le misurazioni per le alte quantità di gas. Inoltre questo diodo può centrare il raggio di laser. The electromagnetic wave emitted by the light emitting device 3 passes through a second analysis space 20 according to the invention. This scanning space 20 is arranged so that the beam passes through the sensing sensor 14 disposed in the reference cell to detect the beam. In this way the detection sensor which in a preferred form is a detection diode can measure both the value of the reference gas and carry out the measurements for large quantities of gas. Also this diode can center the laser beam.
In una forma di realizzazione il secondo spazio di analisi 20 è disposto a 90° rispetto al primo spazio di analisi 12. In one embodiment, the second analysis space 20 is arranged at 90 ° with respect to the first analysis space 12.
In una preferita forma di realizzazione il secondo spazio di analisi 20 e il primo spazio di analisi 12 sono fra loro comunicanti. In questo modo il campione di gas da analizzare entra in modo forzato per esempio per mezzo di un pompa o simile attraverso una prima apertura 30 nel secondo spazio di analisi 20 e passa poi nel primo spazio di analisi 12. In a preferred embodiment, the second analysis space 20 and the first analysis space 12 are communicating with each other. In this way the gas sample to be analyzed enters forcibly, for example by means of a pump or the like, through a first opening 30 into the second analysis space 20 and then passes into the first analysis space 12.
Dopo aver effettuata l'analisi l'intero campione da analizzare può essere espulso attraverso un'unica uscita. After carrying out the analysis, the entire sample to be analyzed can be expelled through a single outlet.
In questa conformazione è possibile ridurre il numero di diodi di rilevamento a un minimo. Inoltre si può ridurre la distanza che l'onda elettromagnetica e deve percorrere. In this configuration it is possible to reduce the number of detection diodes to a minimum. Furthermore, the distance that the electromagnetic wave has to travel can be reduced.
In una forma di realizzazione preferita le misurazioni che vengono effettuate sul diodo di rilevamento disposto ad una estremità del primo spazio di analisi sono due. Una volta metodo di analisi a derivata seconda per le misurazioni delle medie quantità e l'assorbimento per le misurazioni delle basse quantità. In a preferred embodiment, the measurements which are carried out on the detection diode disposed at one end of the first analysis space are two. Once a second derivative analysis method for medium quantity measurements and absorption for low quantity measurements.
Elenco dei numeri di riferimento List of reference numbers
1 dispositivo di misurazione 1 measuring device
3 dispositivo di emissione di un onda elettromagnetica 3 device for emitting an electromagnetic wave
4 specchio d i entrata 4 entrance mirror
5 specchio d i uscita 5 exit mirror
6 diodo di rilevamento 6 sensing diode
8 splitter fascio 8 beam splitter
7 dispositivo regolazione temperatura 7 temperature regulation device
9 generatore di corrente 9 power generator
I 0 involucro I 0 casing
II cella II cell
1 2 spazio di analisi 1 2 analysis space
14 diodo di rilevamento/centraggio 14 sense / centering diode
1 5 cella di riferimento 1 5 reference cell
20 secondo spazio di analisi 20 second analysis space
30 ingresso gas di analizzare 30 gas inlet to analyze
31 uscita gas da analizzare 31 gas outlet to be analyzed
40 amplificatore 40 amplifier
41 dispositivo per misurare l'intensità di una frequenza nell'onda 41 device for measuring the intensity of a frequency in the wave
42 elettronica di controllo e acquisizione 42 control and acquisition electronics
43 generatore di frequenze radio 43 radio frequency generator
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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