WO2002090943A1 - Vorrichtung und verfahren zur spektroskopischen messung einer gaskonzentration - Google Patents

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/15—Preventing contamination of the components of the optical system or obstruction of the light path

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring a concentration of at least one component of a process gas with a laser, the beam path of the laser crossing a volume containing the process gas.
  • Measuring methods and devices are known for determining the concentration of individual components of a gas mixture, which are determined using a laser for laser gas spectroscopic measurements.
  • the present invention is therefore based on the object of providing an improved method and an improved device for carrying out laser gas spectroscopic measurements of the concentration of the components of a process gas, the suitability of the invention being particularly important even for large volumes of dust-laden process gases Importance.
  • the object is achieved in that the beam path partly leads freely through the process gas and partly shields itself from the process gas, only the part of the beam path that leads freely through the process gas being referred to as the measuring section.
  • the shielding of the beam path is preferably designed as a hollow body.
  • Means are particularly preferably provided in the area of the shield for feeding a purge gas, which serves to displace the process gas from the shield, in particular from the interior of the hollow body.
  • a purge gas which serves to displace the process gas from the shield, in particular from the interior of the hollow body.
  • Nitrogen for example, is very suitable as the purge gas.
  • Inert gases are also generally considered suitable. The suitability of a gas as a purge gas depends, among other things. depending on which component of the process gas the concentration is to be determined.
  • the shield is tubular.
  • the shield is particularly advantageously designed as a water-cooled lance. This embodiment enables the device according to the invention for measuring the concentration to be used without problems even in process gases which have a very high temperature.
  • the shield has a heat-resistant and / or acid-resistant material.
  • the shield preferably has a ceramic material. These materials also enable problem-free use of the device according to the invention under difficult conditions, for example in the presence of acidic components in the process gas.
  • the shield is attached to the laser at the beginning of the beam path and in front of a detector which is hit by the laser radiation, as a result of which the measuring path is limited by the shield from both sides.
  • the task is solved in that the beam path leads partially freely through the process gas and partially shields itself from the process gas, whereby only the part of the beam path that leads freely through the process gas is referred to as the measuring section and leads to a laser gas spectroscopic measurement of gas concentrations is used.
  • the method designed in this way enables reliable measurement even over larger measuring sections and in process gases which are contaminated with dust or are otherwise contaminated or generally mixed with particles.
  • the shield is advantageously flushed with a purge gas.
  • Nitrogen is particularly advantageously used as the purge gas.
  • a clean gas known in its composition inside the shield, through which the laser beam experiences almost no weakening of its intensity and which behaves neutrally for the concentration measurement, i.e. makes no contribution unless the concentration of a nitrogen compound is to be measured.
  • the suitability of a gas as a purge gas depends on which component of the process gas the concentration is to be determined.
  • a purging gas is preferably selected which differs significantly from the gas whose concentration is to be determined with regard to spectroscopy.
  • Inert gases can also advantageously be used as purge gases.
  • the particular advantage of inert gases is that a chemical reaction between the purge gas and the process gas can be excluded.
  • ambient air is drawn in and used as the purge gas. This configuration primarily offers the
  • ambient air is not desirable in all applications, for example when determining the CO concentration in an exhaust gas, ambient air as the purge gas would lead to a fault in the measurement.
  • nitrogen is preferred as the purge gas for measurements of the oxygen concentration in a process gas.
  • the invention also has the advantage that a laser with low power can be used to measure the concentration, since the measuring distance is shortened by the shielding according to the invention in comparison to a measurement without shielding.
  • the use of a laser with low power also advantageously reduces the risk of undesired changes in the process gas, which could be triggered by the energy of the laser radiation in the process gas.
  • Figure a cross section through a volume containing the process gas
  • the figure shows a tubular volume 1 containing the process gas, which has a laser 2a on one side and a detector 2b on the opposite side, which registers the laser radiation crossing the volume 1 and incident on the detector 2b.
  • the beam path of the laser 2a is partially surrounded by the shield 3, which delimits the measuring section 4 on both sides, both in the direction of the laser 2a and in the direction of the detector 2b.
  • Means for feeding a purge gas such as e.g. Nitrogen provided. These means are not shown in the figure.
  • Volume 1 is filled, for example, with a hot process gas whose carbon monoxide content is to be determined.
  • a shield 3 is used, which has two water-cooled ceramic tubes 3.
  • Gaseous nitrogen is used as the purge gas, which displaces the process gas from the interior of the ceramic tubes 3, which are cooled, for example, by tube coils (not shown) carrying cooling water.
  • a shield 3 advantageously has dimensions such that the Measuring section 4 is, for example, a length of 10 cm to 30 cm.
  • a measuring section 4 of approximately 20 cm has proven to be particularly advantageous.
  • the laser measurements can be carried out with particular advantage as continuous measurements. In a further embodiment of the invention, however, discontinuous measurement methods can also be used successfully.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Konzentration mindestens einer Komponente eines Prozessgases mit einem Laser (2a), wobei der Srahlengang des Lasers (2a) ein das Prozessgas enthaltendes Volumen (1) durchquert. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang teilweise frei durch das Prozessgas führt und teilweise von dem Prozessgas abgeschirmt verläuft, wobei nur der Teil des Strahlengangs, der frei durch das Prozessgas führt als Messstrecke (4) bezeichnet wird und zu einer laser-gas-spektroskopischen Messung von Gaskonzentrationen herangezogen wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur spektroskopischen Messung einer Gaskonzentration
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Konzentration mindestens einer Komponente eines Prozessgases mit einem Laser, wobei der Strahlengang des Lasers ein das Prozessgas enthaltendes Volumen durchquert.
Bekannt sind Meßverfahren und -Vorrichtungen zur Ermittlung der Konzentration einzelner Komponenten einer Gasmischung, die unter Einsatz eines Lasers zu laser- gas-spektroskopischen Messungen ermittelt werden.
Bei der Anwendung von laser-gas-spektroskopischen Verfahren zur Konzentrationsbestimmung von Komponenten in staubbelasteten Prozessgasen (Gasmischungen) sind den bekannten Methoden jedoch durch die auftretende Absorption und Reflexion der Laserstrahlung durch die Staubpartikel Grenzen gesetzt. Bei hoher Staubbelastung und größeren Meßstrecken, beispielsweise über einen größeren Rohrquerschnitt hinweg, nimmt die Intensität der Laserstrahlung über die Meßstrecke hinweg so stark ab, dass kein verwertbares Signal am Detektor ankommt. Die bekannten Verfahren sind somit für die beschriebenen Anwendungen nicht geeigent.
Der oben beschriebene Anwendungsfall tritt im Bereich der Metallverarbeitung oder der Energiegewinnung und Kraftwerkstechnik vergleichsweise häufig auf, da dort mit Staub verunreinigte (Prozess)-Gase in großen Mengen anfallen, deren Zusammensetzung für den Anlagenbetreiber von großem Interesse ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung von laser-gas- spektroskopischen Messungen der Konzentration der Komponenten eines Prozessgases zur Verfügung zu stellen, wobei der Eignung der Erfindung auch für große Volumen staubbelasteter Prozessgase eine besonders wichtige Bedeutung zukommt. Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Strahlengang teilweise frei durch das Prozessgas führt und teilweise von dem Prozessgas abgeschirmt verläuft, wobei nur der Teil des Strahlengangs, der frei durch das Prozessgas führt als Meßstrecke bezeichnet wird.
Bevorzugt ist die Abschirmung des Strahlengangs als Hohlkörper ausgebildet. Besonders bevorzugt sind im Bereich der Abschirmung Mittel zur Einspeisung eines Spülgases vorgesehen, welches zur Verdrängung des Prozessgases aus der Abschirmung, insbesondere aus dem Inneren des Hohlkörpers, dient. Dadurch befindet sich vorteilhaft im Inneren der Abschirmung ein in seiner Zusammensetzung bekanntes, sauberes Gas durch das der Laserstrahl fast keine Abschwächung seiner Intensität erfährt und das sich für die Konzentrationsmessung neutral verhält oder aufgrund der bekannten Zusammensetzung nachträglich aus der Messung wieder eliminiert werden kann. Als Spülgas ist beispielsweise Stickstoff sehr geeignet. Auch Inertgase sind generell als geeignet anzusehen. Die Eignung eines Gases als Spülgas hängt u.a. davon ab von welcher Komponente des Prozessgases die Konzentration ermittelt werden soll.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Abschirmung rohrförmig ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist die Abschirmung als wassergekühlte Lanze ausgeführt. Durch diese Ausführung wird ermöglicht, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konzentrationsmessung auch in Prozessgasen, die eine sehr hohe Temperatur aufweisen, problemlos eingesetzte werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Abschirmung ein hitzebeständiges und/oder säurefestes Material auf. Bevorzugt weist die Abschirmung ein keramisches Material auf. Diese Materialien ermöglichen ebenfalls den problemlosen Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter schwierigen Bedingungen, beispielsweise in Anwesenheit von sauren Komponenten im Prozessgas.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Abschirmung am Beginn des Strahlengangs beim Laser angebracht sowie vor einem Detektor, auf den die Laserstrahlung trifft, wodurch die Meßstrecke von beiden Seiten durch die Abschirmung begrenzt wird. Diese Ausgestaltung birgt unter anderem den Vorteil, dass eventuell vorhandene Randeffekte (Effekte im Randbereich eines Gasvolumens) aus der Messung ausgeblendet werden. Störende Randeffekte können beispielsweise in einem strömenden Prozessgas auftreten.
Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Strahlengang teilweise frei durch das Prozessgas führt und teilweise von dem Prozessgas abgeschirmt verläuft, wobei nur der Teil des Strahlengangs, der frei durch das Prozessgas führt, als Meßstrecke bezeichnet wird und zu einer laser-gas- spektroskopischen Messung von Gaskonzentrationen herangezogen wird. Das so gestaltete Verfahren ermöglicht eine zuverlässige Messung auch über größere Meßstrecken hinweg und in staubbelasteten oder anderweitig verschmutzten oder allgemein mit Partikel vermengten Prozessgasen.
Vorteilhaft wird die Abschirmung mit einem Spülgas gespült. Mit besonderem Vorteil wird als Spülgas Stickstoff eingesetzt. Dadurch befindet sich vorteilhaft im Inneren der Abschirmung ein in seiner Zusammensetzung bekanntes, sauberes Gas durch das der Laserstrahl fast keine Abschwächung seiner Intensität erfährt und das sich für die Konzentrationsmessung neutral verhält, d.h. keinen Beitrag liefert sofern nicht die Konzentration einer Stickstoffverbindung gemessen werden soll. Allgemein formuliert hängt die Eignung eines Gases als Spülgas davon ab von welcher Komponente des Prozessgases die Konzentration ermittelt werden soll. In der Regel wird bevorzugt ein Spülgas gewählt, das sich von dem Gas dessen Konzentration bestimmt werden soll im Hinblick auf die Spektroskopie deutlich unterscheidet.
Auch Inertgase sind vorteilhaft als Spülgase einsetzbar. Der besondere Vorteil besteht bei Inertgasen darin, dass eine chemische Reaktion zwischen Spülgas und Prozessgas ausgeschlossen werden kann.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird Umgebungsluft angesaugt und als Spülgas eingesetzt. Diese Ausgestaltung bietet vor allem den
Vorteil niedriger Verfahrenskosten. Jedoch ist die Gegenwart von Umgebungsluft nicht bei allen Anwendungen wünschenswert, beispielsweise bei einer Bestimmung der CO- Konzentration in einem Abgas würde Umgebungsluft als Spülgas zu einer Störung der Messung führen. Ebenso ist beispielsweise für Messungen der Sauerstoffkonzentration in einem Prozessgas Stickstoff als Spülgas zu bevorzugen.
Die Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, dass zur Messung der Konzentration ein Laser mit geringer Leistung eingesetzt werden kann, da die Meßstrecke durch die erfindungsgemäße Abschirmung im Vergleich zu einer Messung ohne Abschirmung verkürzt wird. Der Einsatz eines Lasers mit geringer Leistung reduziert darüber hinaus vorteilhaft die Gefahr von unerwünschten Veränderungen im Prozessgas, die durch die Energie der Laserstrahlung im Prozessgas ausgelöst werden könnten.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige
Figur einen Querschnitt durch ein das Prozessgas enthaltendes Volumen
Im einzelnen ist in der Figur ein das Prozessgas enthaltendes, rohrförmig begrenztes Volumen 1 dargestellt, das auf einer Seite einen Laser 2a und gegenüberliegend einen Detektor 2b aufweist, der die das Volumen 1 durchquerende und auf dem Detektor 2b auftreffende Laserstrahlung registriert. Der Strahlengang des Lasers 2a ist zum Teil von der Abschirmung 3 umgeben, die die Meßstrecke 4 auf beiden Seiten begrenzt, sowohl in Richtung zum Laser 2a hin als auch in Richtung auf den Detektor 2b zu. An der Abschirmung 3 sind vorteilhaft Mittel zur Einspeisung eines Spülgases wie z.B. Stickstoff vorgesehen. Diese Mittel sind in der Figur nicht dargestellt.
Das Volumen 1 ist beispielsweise mit einem heißen Prozessgäs gefüllt, dessen Gehalt an Kohlenmonoxid bestimmt werden soll. Dazu wird eine Abschirmung 3 eingesetzt, die zwei wassergekühlte Keramikrohre 3 aufweist. Als Spülgas kommt gasförmiger Stickstoff zum Einsatz, der das Prozessgas aus dem Inneren der Keramikrohre 3 verdrängt, die beispielsweise durch Kühlwasser führende Rohrschlangen (nicht dargestellt) gekühlt werden.
Vorteilhaft weist eine erfindungsgemäße Abschirmung 3 in Abhängigkeit von der Distanz zwischen Laser 2a und Detektor 2b solche Abmessungen auf, dass die Meßstrecke 4 beispielsweise eine Länge von 10 cm bis 30 cm beträgt. Besonders vorteilhaft erweist sich eine Meßstrecke 4 von ca. 20 cm.
Die Lasermessungen können mit besonderem Vorteil als kontinuierliche Messungen durchgeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind jedoch auch diskontinuierliche Meßmethoden mit Erfolg einsetzbar.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung einer Konzentration mindestens einer Komponente eines Prozessgases mit einem Laser (2a), wobei der Strahlengang des Lasers (2a) ein das Prozessgas enthaltendes Volumen (1) durchquert, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang teilweise frei durch das Prozessgas führt und teilweise von dem Prozessgas abgeschirmt verläuft, wobei nur der Teil des Strahlengangs, der frei durch das Prozessgas führt als Meßstrecke (4) bezeichnet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) des Strahlengangs als Hohlkörper (3) ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich 1 der Abschirmung (3) Mittel zur Einspeisung eines Spülgases vorgesehen sind, welches zur Verdrängung des Prozessgases aus der Abschirmung (3), insbesondere aus dem Inneren des Hohlkörpers (3), dient.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) rohrförmig ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) als wassergekühlte Lanze ausgeführt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) ein hitzebeständiges und/oder säurefestes Material aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) ein keramisches Material aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) am Beginn des Strahlengangs beim Laser (2a) angebracht ist sowie vor einem Detektor (2b), auf den die Laserstrahlung trifft, wodurch die Meßstrecke (4) von beiden Seiten durch die Abschirmung (3) begrenzt wird .
9. Verfahren zur Messung einer Konzentration mindestens einer Komponente eines Prozessgases mit einem Laser (2a), wobei der Strahlengang des Lasers (2a) ein das Prozessgas enthaltendes Volumen (1) durchquert, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang teilweise frei durch das Prozessgas führt und teilweise von dem Prozessgas abgeschirmt verläuft, wobei nur der Teil des Strahlengangs, der frei durch das Prozessgas führt, als Meßstrecke (4) bezeichnet wird und zu einer laser-gas-spektroskopischen Messung von Gaskonzentrationen herangezogen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) mit einem Spülgas gespült wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Spülgas Stickstoff eingesetzt wird.
PCT/EP2002/004823 2001-05-05 2002-05-02 Vorrichtung und verfahren zur spektroskopischen messung einer gaskonzentration WO2002090943A1 (de)

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