WO2011003728A2 - Messvorrichtung zur aufnahme eines raman-spektrums - Google Patents

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WO2011003728A2
WO2011003728A2 PCT/EP2010/058768 EP2010058768W WO2011003728A2 WO 2011003728 A2 WO2011003728 A2 WO 2011003728A2 EP 2010058768 W EP2010058768 W EP 2010058768W WO 2011003728 A2 WO2011003728 A2 WO 2011003728A2
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measuring device
focal point
reflector
measuring cell
light source
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Gilbert Braun
Peter Kury
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for recording a Raman spectrum, comprising a measuring cell having a number of passage windows, a light source arranged outside the measuring cell, a detector which is arranged at an angle ⁇ to the light source and a focus optics for imaging the light source a focal point.
  • the invention relates to a measuring device for receiving a Raman spectrum as mentioned above, wherein a first reflector is positioned relative to the focal point with respect to the light source.
  • a measuring device of the type mentioned above is disclosed for example in US 4,953,976.
  • the measuring device comprises a measuring cell and, as light source, a laser arranged outside the measuring cell.
  • US 4,953,976 discloses reflectors which are designed as a concave mirror.
  • reflectors which are designed as a concave mirror.
  • CH 469249 reflective layers are known which are in the measuring cell of the Raman spectrometer
  • the measuring cell is designed as a so-called Herriott cell.
  • a Herriott cell is a measuring cell attached to your longitudinal axis
  • the laser beam is reflected by a
  • a laser-based sensor system with an excitation laser, a spectrometer and a detection unit is disclosed, in which the excitation laser is a diode laser-pumped, frequency-doubled, continuous
  • Nd YVO 4 ⁇ laser.
  • the laser beam is focused via mirrors into a measuring cell.
  • the signal generated in the measuring volume is collected with a spherical lens and focused by means of another lens on the entrance slit of a spectrometer.
  • a trained as a CCD camera detector is mounted on the exit plane of the spectrometer and is used to record the signals.
  • a fluid to be examined is supplied to the separate measuring cell.
  • the optical components for detecting the radiation are arranged outside the measuring cell.
  • a disadvantage, in particular for use in a power plant or turbine environment is a certain sensitivity to environmental influences such as vibrations or heat.
  • Raman spectroscopy especially through the introduction of lasers, has become an established method in analytics and in particular in process monitoring and control. With the help of this method, material flows can be easily characterized and analyzed. Measuring devices for recording Raman spectra are therefore sometimes well known and are frequently used in industry as well as in research facilities. For example, they are common practice in universities for studying fluid samples.
  • Raman spectroscopy offers, in addition to the diatomic molecules already mentioned, vapors such as water, higher hydrocarbons, alkanols, ketones, etc. due to the inelastic scattering of the light on a molecule and the associated deformation of the electron shell determine.
  • a first object of the invention is to provide a measuring device of the type mentioned above, which represents a thermally and mechanically stable system in addition to a fast and precise measurement.
  • the measuring device for receiving a Raman spectrum comprises a measuring cell, which has a number of passage windows, a light source arranged outside the measuring cell, a detector which in an angle ⁇ is arranged to the light source, and a focus optics for imaging the light source in a focus. It is envisaged that the
  • Focusing optics of the measuring device is disposed within the measuring cell.
  • the invention starts from the consideration that it would be desirable to be able to use Raman spectroscopy for the investigation of fuel gas compositions in real time.
  • Raman spectroscopy for the investigation of fuel gas compositions in real time.
  • Vapors larger heteroatomic molecules are detected.
  • the optics for detecting the scattered radiation of the medium to be investigated is exposed to a large number of external influences, such as, for example, temperature gradients or changing atmospheric humidity.
  • such disorders require frequent rejuvenation, which entails increased work and expense.
  • the invention now proposes to use a measuring device which is exposed to no or only slight disturbances caused by external influences and which makes it possible to increase the stability and the handling of a measuring device.
  • the invention recognizes that the above can be achieved by a measuring device in which the optical components for detecting the scattered radiation of the fluid to be examined are arranged, surprisingly, within the measuring cell through which a fluid flows.
  • the optical elements are located outside a cell filled with the fluid to be analyzed
  • all optical components which serve to focus the light are arranged within the measurement volume.
  • the measurements can be made faster because, for example, delays incurred by supply lines to the detector or optionally Nach accordinglys administrate of the fluid.
  • the arrangement of the optical components within the fluid can also reduce the risk of contamination of the components (for example due to dust), since the fluids which are usually examined have a lower dust load than the ambient air. Typically, the levels of dust load are on the order of less than 30 ppm by weight.
  • no additional piping is necessary and no pumps are required for fluid removal.
  • the arrangement of the optical components within the detection volume offers the possibility of achieving short optical paths between the focal point in the detection volume, so that the turbulence of the fluid flow hardly has any influence on the beam position.
  • the in-line arrangement of the optical components and the associated possibility of an in-situ measurement that the composition of the fluid under investigation corresponds to the actually existing at a given time composition can be ensured.
  • the use of lenses of short focal lengths a high utilization of the solid angle of inelastically scattered radiation can be achieved.
  • a relatively large angle between the multiply reflected beams can be achieved.
  • the interference will thus only lead to a very fine interference pattern, which can not be resolved by the imaging optics in front of the detector.
  • an extremely compact focus optics can be specified, which is preferably arranged in the center of a fuel gas flow tube of a turbine.
  • a gas turbine operated with a synthesis gas the comparatively large pipe diameter for the supply of the fuel gas require (Greater 600 mm), the invention leads to an arrangement in which the focus optics despite the expansive pipe diameter much closer to
  • Focus is arranged as of the relevant pipe wall. This resulted in a thermally independent measuring device. Another advantage of the structure described is the ease of adaptation to different pipe diameters or
  • the focal lengths of the collecting lenses can be selected independently of each other.
  • this arrangement provides "automatic" cleaning of the optics of coarse and fine dust by placement of the optics in the middle of a fluid, for example within a flow tube of a turbine.Possible dust particles adhering to an optical component may be due to the fluid containing the component flows around, be detached, so that pollution can be prevented.
  • a measuring device with a focus optics within the measuring cell thus offers the possibility perform fast and accurate measurements in a thermally and mechanically stable system.
  • the measuring device for recording a Raman spectrum comprises a measuring cell which has a number of passage windows.
  • the measuring cell can be positioned separately or in particular within a flow tube, for example a gas turbine.
  • the geometry of the measuring cell is predetermined according to the dimensions of the tube.
  • a separately executed measuring cell, which is not arranged inside a tube, for example, can basically have different cross sections. It may, for example, be formed with a round cross-section, that is to say in the form of a tube, or have a rectangular cross-section.
  • the configuration of the measuring cell is dependent on the requirements imposed on the measuring device or on the already existing device components.
  • the measuring cell can basically be made of different materials.
  • the passage windows which are mounted in or on the walls of the measuring cell, can either be incorporated in the production process or be subsequently introduced into the measuring cell.
  • the passage windows must in particular satisfy the requirements placed on them. They can be made of a high strength and corrosion resistant material such as sapphire. Alternatively, it is also possible to use made of a non-reflective glass window. Overall, the material for the passage window to the requirements, so for example, the gases with which they come into contact, are adjusted.
  • the passage windows are advantageously adapted to the dimensions of the measuring cell. For example, a measuring cell formed with a rectangular cross-section may be formed with through-windows positioned on four opposite sides of the measuring cell. In the case of a round cross section, the windows can also be rounded, for example.
  • the locations of the windows are formed flat, where the light beam enters the cell.
  • passage windows are conceivable, which have a curvature and insofar as an additional optical function cause, for example, a focus.
  • the passage windows are designed such that they replace, at least partially, the optical components, that is, for example, the converging lenses.
  • the light source arranged outside the measuring cell can be designed, for example, as a light-emitting diode, as a high-pressure vapor lamp (for example mercury, krypton or sodium vapor lamps) or else as a laser.
  • Lasers are particularly suitable because of their monochromatic light.
  • high-power lasers in the short-wave range (below 600 nm) have become affordable in recent years.
  • diode lasers with a power of about 3 to 4 watts are used.
  • continuously operating excitation lasers are used which cover a wavelength range from IR to UV-VIS radiation.
  • the detector can be designed in various ways.
  • the scattered radiation can be collected, for example, by means of a photomultiplier and forwarded via filters and lenses to a detection unit which converts the signal into a voltage and outputs it.
  • the detector is with a
  • Bandpasssperrfilter formed which is followed by a CCD-based spectral analyzer.
  • the primary wavelength emitted by the laser can be filtered out. the.
  • the detector is arranged at an angle ⁇ to the light source.
  • the angle ⁇ is basically not fixed to a specific value in the invention.
  • the angle is in a range between 60 ° and 120 °, in particular in a range between 80 ° and 100 °.
  • the focal point can be at any point within the measuring cell, the position being generally determined by the focal lengths f of the collecting lenses.
  • the focus optics which serves to image the light source in the focal point, is arranged inside the measuring cell.
  • the optical components that are used directly to focus the light in the focal point within the measuring volume.
  • the measurements can therefore be much faster and there are no delays, for example, by the supply lines to an analyzer or by further steps for the treatment of the fluid, such as cooling, drying or filtering, etc. occur. Furthermore, eliminates a separate disposal of the fluid.
  • the construction of the measuring device is mechanically very stable.
  • the distance of the optical components to the focal point or to the measuring volume can be adapted to the respective requirements of the measuring device.
  • optical components which may be basically formed differently, e.g. as a lens, as a mirror or as a prism, advantageously have short focal lengths, whereby a high utilization of the solid angle of inelastically scattered radiation can be achieved.
  • Placement of the optics in the middle of a fluid stream additionally provides for rapid thermalization of the optical components, such that e.g. An active heating eliminates the condensation of the fluid on the optical components. Furthermore, external cleaning can be avoided by the continuous flow of fluid that flows past the optical components, so that the maintenance and service costs of such a measuring device can be kept low.
  • the measuring device In order to detect the scattered radiation of a sample irradiated with a light beam, the radiation must be collected and passed on to a detector.
  • the measuring device therefore comprises an imaging optics for the imaging of
  • optical component of the imaging optics between the detector and the focal point is arranged.
  • the scattered radiation striking the optical component from the focal point can
  • the imaging optics may in particular comprise a plurality of optical components. These components can be formed either as lenses or as mirrors and serve to collect and focus the radiation from the focal point to the detector. Furthermore, the optical components can be configured as filters or diaphragms, for example to filter out interfering background radiation or stray light or to limit the light beam in its geometry, for example with regard to the beam diameter.
  • the optical component of the imaging optics is a
  • first condenser lens positioned between the detector and the focal point which directs the light or radiation onto the detector.
  • Conveying lens within the measuring cell the incident on the converging lens light can be linearized.
  • the focus optics for imaging the light source in a focal point comprises a second collecting lens arranged within the measuring cell.
  • This second converging lens can be arranged at different positions.
  • the second converging lens is located within the measuring cell between the Focus point and the light source.
  • the light emitted by the light source can be focused by means of this second converging lens to a focal point located in the measurement volume, so that the light intensity increases in just this focus point.
  • the side walls of the measuring cell with respect to the plane defined by the light source, the detector and the focal point at a distance in a range between 200 mm and 1000 mm.
  • Such dimensions of the measuring cell offer the possibility of setting short distances between the optical components. In this way, mechanical
  • lenses with short focal lengths are advantageously used.
  • the focal length of the respective converging lens is preferably less than half the distance between the walls of the measuring cell.
  • the fluid can rest stationary within the measuring cell.
  • the measuring cell can be traversed by a fluid.
  • fluids both liquids, but especially gases are conceivable. Due to such an InLine configuration
  • fluid samples can be examined directly during the process, ie in the flow. Furthermore, one obtains the possibility of performing time-dependent investigations of the concentrations of individual constituents in fluids.
  • a first reflector is positioned relative to the focal point with respect to the light source, wherein between the first reflector and the focal point, a third converging lens within the
  • Measuring cell is arranged.
  • the reflector opposite the light source throws back the light striking it.
  • light returns to the focal point, whereby the light intensity increases particularly in the focal point within the measuring volume.
  • a converging lens which is arranged between the first reflector and the focal point within the measuring cell, the light reflected back from the reflector is collected in the converging lens and focused from there directly onto the focal point.
  • the focal length of the collection lens and also the distance of the converging lens to the reflector can be adapted to the dimensions of the measuring cell.
  • a second reflector is positioned relative to the focal point with respect to the detector. Between the second reflector and the focal point, a fourth converging lens is arranged within the measuring cell.
  • a second reflector positioned opposite the detector, the light of the fluid inelastically scattered away from the detector can be reflected back into the focal point, thereby further increasing the light and thereby increasing the Raman signal.
  • a third reflector is preferably positioned relative to the focal point with respect to the first reflector.
  • the light beam passes through the focal point several times, so that the light intensity multiplies in the focal point.
  • an intensity multiplication of the light can be achieved, which can be adapted to the fluid or fluid composition or concentration to be investigated.
  • This embodiment offers the possibility of also determining low concentrations within a fluid.
  • the first reflector and / or the second reflector and / or the third reflector are each formed as a retroreflector.
  • a retroreflector reflects the light striking it largely independently of its orientation in the direction of the radiation source.
  • the retroreflector for example a so-called triple mirror, is usually formed by three mirrors which are each perpendicular to one another.
  • the reflected beam always runs parallel to the incident beam.
  • the beam path is insensitive to thermal influences as well as to mechanical tilting of the retroreflector. Even with a change in the position of the reflector, as can be caused for example by a change in temperature or a vibration of the measuring device, the beam guidance remains stable due to only a small offset of the light beam.
  • a retroreflector compared to a differently designed reflector, such as a concave mirror, offers the possibility to control light in a controlled manner. inflect, and set the number of light passes in the measurement volume, so that a defined intensity multiplication can be achieved in the focal point.
  • the measuring device comprises a plurality of light sources, which are respectively coupled into the measuring cell via a passage window and which are focused by means of the focus optics in the focal point.
  • a plurality of light sources and thus also a plurality of light beams taking into account the fact that the beams are collinear, the light intensity in a common focal point within the measuring cell can also be increased after passing through a converging lens.
  • Suitable light sources are, for example, lasers or light-emitting diodes with collimator optics.
  • the use of multiple weaker light sources rather than a single more intense one represents significant cost savings (for example, the price of a diode laser grows more than linearly with output power).
  • the individual light sources may have different distances to the optical axis, so they need not be arranged symmetrically about the optical axis.
  • an absorber is preferably included, which in combination with one or each reflector serves to absorb the laterally offset light beam.
  • a Beamdump or absorber plates are used, which are provided with a coating that completely absorb the incident light.
  • the absorber is arranged in particular at the location of the beam path, at which the beam should be interrupted controlled.
  • the absorber may be positioned between the second condenser lens and the light source. It serves as a radiation trap and absorbs the radiation impinging on it so that the radiation can no longer get back into the measuring cell.
  • the second object of the invention is achieved by a measuring device with the combination of features according to claim 12.
  • the measuring device for recording a Raman spectrum comprises a measuring cell having a number of passage windows, a light source arranged outside the measuring cell, a detector which is arranged at an angle ⁇ to the light source, a focus optics for imaging the light source in a focal point and a first reflector positioned relative to the focal point with respect to the light source, the reflector being configured as a retroreflector.
  • the invention proceeds from the fact that when a Raman spectrum is recorded in a fluid, the light intensity in the focal point must be particularly high, since Raman scattering, ie the inelastic scattering of the light on a molecule, has very low intensities Has.
  • mirrors increases the light intensity by reflecting the light incident on the mirror back into the measuring volume.
  • the light is reflected back and forth a few times within the measurement volume, so that the light intensity in the measurement volume as a whole increases.
  • concave mirrors or prisms are usually used by the person skilled in the art.
  • Measuring device with a concave mirror are therefore costly and time consuming, which also applies to the required adjustment of the prisms during assembly.
  • prisms do not provide complete imaging in the event of misregistration / misalignment. Namely, such images have line-like gaps in the form of black stripes, whereby originally contained information is lost in the back-reflected light spectrum. In addition, prisms provide due to the unavoidable light dispersion in the
  • Glass material produces a chromatic aberration which, even with slight deviations from the ideal adjustment, ensures a clean and wavelength-independent image of the image
  • the invention recognizes that retro-reflectors direct the light more stable and more independent of external influences and thus controlled and plannable by a sample to be examined.
  • the invention accordingly provides for the use of a retroreflector for the reflection of light.
  • the light beam reflected back from a retroreflector travels through the sample at a certain lateral offset parallel to the incident beam.
  • the beam path of a retro-reflector is insensitive to thermal influences as well as to mechanical tilting. If the position of the retroreflector changes, for example as a result of an increase in temperature, the beam guidance remains stable due to only a small offset of the light beam after reflection and the parallelism of the beam path remains independent of tilting.
  • the light which arrives at a retroreflector from a focal point via a condenser lens is reflected back into the focal point due to the parallelism of incident and emergent radiation after passing through the condenser lens, resulting in a multiplication of the light.
  • a collection Lens which parallelizes the light
  • a reflector to which the light is transmitted, replaced particularly advantageous the optical function of a concave mirror.
  • the use of a retroreflector offers the possibility of repeatedly reflecting the light beam coupled into the measuring cell via a passage window and guiding it again through the same focal point after each reflection. Through this defined reuse of excitation or scattered light, the intensity in the focal point can be used effectively to study a fluid composition. Furthermore, the beam path is less sensitive to thermally induced tilting of the optical elements than, for example, the use of a concave mirror.
  • a measuring device designed in this way gives the person skilled in the art the possibility of achieving a particularly stable beam path and thus reliable measurement results through the use of a retroreflector.
  • the process flows during a measurement are simplified due to less maintenance and by ensuring a stable beam path, the measurement results are reproducible.
  • a separation of focusing and reflection can be achieved by the combination of a converging lens and a retroreflector.
  • the converging lens can be brought closer to the measurement volume as a separate optical component for focusing the scattered radiation. As a result, the optical paths between the components of the focus optics and the measurement volume can be shortened.
  • the third object of the invention is achieved by a measuring device with the feature combination according to claim 29.
  • the measuring device for recording a Raman spectrum comprises a measuring cell having a number of passage windows, at least one arranged outside the measuring cell light source, a detector which is arranged at an angle ⁇ to the light source and a focus optics for imaging the light source in a focal point , wherein a plurality of light sources are coupled via a passage window in the measuring cell, which are focused by means of the focus optics in a common focus point
  • the invention proceeds in a first step on the assumption that, in order to acquire a Raman spectrum in a fluid mixture, the light intensity must be high enough to obtain an evaluable signal.
  • a single light source for example a laser
  • the measuring device can not continue to be operated if the laser fails, for example. In particular, during operation in large companies a failure of a measuring device and the associated maintenance and repair costs is extremely undesirable.
  • the invention recognizes that these disadvantages are overcome when multiple monochromatic radiation sources are used whose collinear beams converge at a common focal point. Furthermore, the redundancy of the light sources even during operation allows replacement of defective individual sources, without having to interrupt a measurement. Thus, it is not even necessary for maintenance and repair phases to interrupt a running operation.
  • a measuring device with multiple redundant light sources, preferably three to twelve
  • the distance of the light sources to the optical axis may be different. Regardless of the distances, the light beams emitted by the light sources can be combined in a common focus point within the measuring cell or the detection volume.
  • FIG. 1 shows a plan view of a measuring device with a
  • Measuring cell which is irradiated by a laser beam, and in which an imaging optics and a focus optics are arranged within the measuring cell,
  • FIG. 2 shows a plan view of a measuring device in which the imaging optics and the focus optics are positioned outside the measuring cell, wherein the
  • Measuring device has three reflectors,
  • FIG 3 shows a top view of a measuring device, in which an imaging optics and a focus optics are arranged within the measuring cell and has the reflectors, and
  • Light sources which are coupled via a converging lens in the measuring cell and a common
  • the measuring device 1 shows a plan view of a measuring device 1 for receiving a Raman spectrum.
  • the measuring device 1 comprises a measuring cell 3, which is formed with a rectangular cross-section.
  • the measuring cell 3 has four passage windows 5 which are respectively located on the side walls 7 of the measuring cell 3. the. In each case two of the passage windows 5 are positioned opposite each other.
  • the measuring cell 3 is arranged within a through-flow pipe of a gas turbine.
  • the tube or the gas turbine are not shown in the figure.
  • an inline Raman measurement can be carried out.
  • a designed as a laser light source 9 is arranged, which emits a light beam 11. (The beam path of the light beam 11 is illustrated with arrows.)
  • a detector 13 is arranged, which is located outside the measuring cell 3 behind the passage windows 5. An angle of 90 ° prevents light from being backscattered on the detector. Since backscatter can cause a broad background signal, the sensitivity of the measurements can be disturbed and the desired accuracy can not be achieved.
  • the measuring cell 3 is traversed by a fluid which is not identified.
  • the fluid is in particular a fuel gas, the composition of which can be determined by means of the measuring device 1 using Raman spectroscopy.
  • the measuring device 1 is further equipped with imaging optics 15, which is partially disposed within the measuring cell 3.
  • the imaging optics 15 is used to image the scattered radiation that results from a fluid flowing through the measuring cell 3.
  • the scattered radiation is here on the
  • the imaging optics 15 include various optical components, which in the present case are designed as converging lenses 17, 19.
  • the collecting lenses 17, 19 are located within the measuring cell 3 and are positioned behind the passage windows 5.
  • the collecting lenses 17, 19 are located directly in the gas flow and can thus be protected against contamination.
  • the converging lens 19 is positioned within the measuring cell 3 between the focal point 23 and the passage window 5 and directs radiation impinging on the detector 13.
  • the converging lens 17 is also arranged opposite the first converging lens 19 between the focal point and a further passage window 5. Outside the measuring cell 3, a reflector 20 designed as a retroreflector is arranged behind the passage window 5. The scattered radiation focused in the focal point 23 is scattered in the direction of the condenser lens 17. The condenser lens 17 collimates the incident light and passes it toward the reflector 20, where it is reflected again and focused back into the focal point 23.
  • a focus optics 21 which for imaging the light source 9, or the emitted light from the light source 9 11 in a
  • Focus point 23 is used.
  • a further converging lens 25 is positioned within the measuring cell 3 between the focal point 23 and the light source 9.
  • the converging lens 25 focuses the incident light and focuses it on the focal point 23, which is located centrally in the measuring cell 3 in FIG.
  • a first reflector 27 is arranged on the light source 9 with respect to the focal point 23 opposite side of the measuring cell 3. Between the reflector 27 and the focal point 23, a fourth converging lens 29 is arranged, which directs the light from the focal point 23 of the reflector 27.
  • the reflector 27 is arranged outside the measuring cell 3 and designed as a so-called retroreflector. The retroreflector 27 reflects the light impinging on it
  • the focal point 23 can in principle be located at any point within the measuring cell 3, the position is generally determined by the focal lengths f of the converging lenses 17, 19, 25, 29. Thus, it is possible to change the position of the focal point 23 as a function of the focal lengths f of the individual converging lenses 17, 19, 25, 29.
  • the measuring device can be protected against any offset of the beam path. Even if the position or the orientation of a retroreflector 20, 27 changes, for example as a result of a change in temperature or a vibration, the beam guidance remains due to only a small offset of the
  • the retroreflector 27 reflects the incident light back onto the converging lens 29, which focuses the rays onto the focal point 23. In this way, the focal point 23 is traversed twice by the light beam 11 so that the intensity of the radiation in the focal point 23 is doubled. In this way, the signal intensity of the Raman radiation can be increased.
  • the Raman radiation is scattered at the focal point 23 and impinges on the converging lens 19.
  • the converging lens 19, which is positioned within the measuring cell 3 between the detector 13 and the focal point 23, parallelizes the incident light, whereupon it encounters through a passage window 5 to another optical component formed as a converging lens 31.
  • the fifth converging lens 31 is, like the converging lenses 17, 19 and the retroreflector 20, part of the imaging optics 15 for collecting the scattered radiation.
  • the converging lens 31 is arranged outside the measuring cell 3. In the condenser lens 31, the light is focused again and focused on the detector 13. About the converging lenses 19, 31, the focus on the detector 13 is adjustable.
  • the detector 13 is embodied here with a bandpass filter, to which a CCD-based spectral analyzer is connected.
  • a CCD-based spectral analyzer By means of such a detector, the primary light beam 11 emitted by the light source 9 can be filtered out. Subsequently, the radiation is spectrally decomposed by means of a grating and a line CCD spectrometer, so that a statement about the composition of the gas can be made from the Raman spectrum.
  • the individual components of the detector described above are not further specified in FIG.
  • the distance between the converging lenses 17, 19, 25, 29 to the side walls 7 of the measuring cell 3 can be adjusted before the first use of the device or before installation in the flow tube of a gas turbine, so that it meets the requirements.
  • the collecting lenses 17, 19, 25, 29 are arranged in the shortest possible distance from the focal point 23, or to the measuring volume. Such a positioning of the collecting lenses 17, 19, 25, 29 makes it possible to achieve an increased mechanical stability of the measuring device 1. By a close positioning of the collecting lenses 17, 19, 25, 29 on the measuring volume, short optical paths can be obtained within the measuring cell 3. As a result, in particular turbulent gas flows or turbulences hardly have any influence on the position of the light beam 11.
  • the converging lenses 17, 19, 25, 29 have different focal lengths fi, f2, which are less than half the distance between the side walls 7 of the measuring cell 3.
  • the converging lenses 17, 19 of the imaging optics 15 have the same focal length fi, while the converging lenses 25, 29 of the focus optics 21 have the same focal length f.2.
  • the focal lengths fi, f.2 of the converging lenses 17, 19, 25, 29 determine the position of the focal point 23 within the measuring cell. In FIG. 1, the focal point 23 is positioned centrally within the measuring cell 3.
  • the focal length f of each converging lens 17, 19, 25, 29 may be different, so that a measuring device with a number of converging lenses 17, 19, 25, 29 is conceivable, in which each converging lens has a different focal length f.
  • the focal lengths fi, f 2 of the converging lenses 17, 19, 25, 29 can be selected once prior to introduction into the measuring device 1 or the measuring cell 3 according to the dimensions.
  • the distance of the converging lens 17, 19, 25, 29 from the focal point 23 must always correspond to the focal length fi, t 2 of the respective converging lens 17, 19, 25, 29.
  • a high utilization of the solid angle of inelastically scattered radiation can be achieved.
  • high angles (> 90 °) result between the multiply reflected beams.
  • the converging lenses 17, 19, 25, 29 are arranged inside the measuring cell 3 and thus directly in the fluid to be examined offers the possibility of analyzing a gas quickly and precisely and of preventing contamination of the optical components.
  • the measuring device 1 could also be equipped with a further detector at this point.
  • an absorber 35 is additionally positioned.
  • the absorber 35 is designed as an absorber plate and at the location of the radiation arranged at which the beam is to be interrupted controlled. It is provided with an absorbent coating. It serves as a ray trap and absorbs the radiation impinging on it, so that the radiation can no longer get back into the measuring cell 3.
  • the measuring device 41 comprises a measuring cell 3, which has a rectangular cross-section, and has four passage windows 5, each of which is located on the side walls 7 of the measuring cell 3.
  • Both the light source 9 and the detector 13 and the retroreflectors 20, 27 are positioned outside the measuring cell 3.
  • the optical components of the focus optics 15 and the imaging optics 19 are designed as converging lenses 17, 19, 25, 29 and also arranged outside the measuring cell 3.
  • a third reflector 43 designed as a retro reflector is positioned directly opposite the first retroreflector 27 with respect to the focal point 23.
  • This retroreflector 43 also reflects the incident light through the converging lens 25 back into the focal point 23. From there, the light beam 11 is again directed to the opposite retroreflector 27, so that the light beam 11 passes through the focal point 23 a total of four times. (The beam path is marked analogously to FIG. 1 with arrows.)
  • the light intensity and the signal strength of the Raman scattering within the measuring cell 3 increase, so that a better measuring signal can be obtained.
  • an absorber 45 is positioned between the converging lens 25 and the light source 9, which has a plurality of passage openings which are not identified in FIG. At the point of the beam path at which the light beam 11 is controlled is to be broken, absorbs the absorber 43, the radiation striking him. In the other places through openings are introduced, which allow the radiation to pass and either lead to the retroreflector 43 or back into the measuring cell. 3
  • FIG. 3 shows a further measuring device 51, which corresponds to the embodiment in FIG. However, the converging lenses 17, 19, 25, 29 of the imaging optics 15 and the focus optics 21 are now arranged inside the measuring cell 3. In addition, the
  • Measuring device three retroreflectors 20, 27, 43 which conduct the light beam 9 emitted by the light source 9 four times through the focal point 23 and thus increase the signal intensity of the scattering of the gas to be examined.
  • the measuring device 51 offers the possibility of performing an in-line Raman measurement with a high intensity of the radiation within the focal point 23.
  • the 4 shows a part of a measuring cell 3 with two light sources 61, 63, each of which emits a light beam 65, 67.
  • the light beams 65, 67 are collinear and are coupled into the measuring cell 3 via the passage window 5.
  • the light sources 61, 63 have the same distances Xi, X2 from the optical axis 68. However, it is also possible in principle that the light sources 61, 63 are not arranged symmetrically about the optical axis 68, ie that the distances xi and x2 are of different sizes. Regardless of the distances X 1 , x 2 of the light sources from an optical axis, the emitted light beams are focused into a common focal point 71.
  • the light beams 65, 67 are collected and recorded a common focus point 71 focused.
  • the intensity of the radiation in the focal point 71 can be increased, and thus obtained an amplified Raman signal. Furthermore, a measuring device even in case of failure of one of the two
  • Light sources 61, 63 are still operated. Overall, the use of more than two light sources is conceivable.
  • a measuring device 1, 41, 51 offers a safe and easy-to-handle possibility of determining the fuel gas composition of a gas mixture by the controlled reflection and absorption of an analysis light beam within a measuring volume.
  • a measuring device 1, 41, 51 offers a safe and easy-to-handle possibility of determining the fuel gas composition of a gas mixture by the controlled reflection and absorption of an analysis light beam within a measuring volume.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1, 41, 51) zur Aufnahme eines Raman-Spektrums, umfassend eine Messzelle (3), die eine Anzahl von Durchtrittsfenstern (5) aufweist, wenigstens eine außerhalb der Messzelle (3) angeordnete Lichtquelle (9, 61, 63), einen Detektor (13), der in einem Winkel α zur Lichtquelle (9, 61, 63) angeordnet ist und eine Fokusoptik (21) zur Abbildung der oder jeder Lichtquelle (9, 61, 63) in einen Fokuspunkt (23, 71), wobei sich die Fokusoptik (21) innerhalb der Messzelle (3) befindet. Die Messvorrichtung (1, 41, 51) umfasst Reflektoren (20, 27, 43), die als Retroreflektoren ausgebildet sein können. Weiterhin können mehrere Lichtquellen (9, 61, 63) in die Messzelle (3) eingekoppelt sein. Hierdurch besteht bietet die Möglichkeit der schnellen und präzisen Untersuchung von Fluidproben mit einer thermisch und mechanisch stabilen Messvorrichtung.

Description

Beschreibung
Messvorrichtung zur Aufnahme eines Raman-Spektrums
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Aufnahme eines Raman-Spektrums, umfassend eine Messzelle, die eine Anzahl von Durchtrittsfenstern aufweist, eine außerhalb der Messzelle angeordnete Lichtquelle, einen Detektor, der in einem Winkel α zur Lichtquelle angeordnet ist und eine Fokusoptik zur Abbildung der Lichtquelle in einen Fokuspunkt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Aufnahme eines Raman-Spektrums wie vorgenannt, wobei ein ers- ter Reflektor bezüglich des Fokuspunkts gegenüber der Lichtquelle positioniert ist.
Eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der US 4,953,976 offenbart. Die Messvorrich- tung umfasst eine Messzelle sowie als Lichtquelle einen aus- serhalb der Messzelle angeordneten Laser. Weiterhin offenbart die US 4,953,976 Reflektoren, die als Hohlspiegel ausgebildet sind. Auch sind aus der CH 469249 reflektierende Schichten bekannt, die in der Messzelle des Raman-Spektrometers
angeordnet sind. Als optische Komponenten werden
unterschiedliche Spiegel, Prismen, sowie Linsen vor einem Detektor verwendet. Die Messzelle ist als eine sogenannte Herriott-Zelle ausgebildet. Eine Herriott-Zelle ist eine Messzelle, die an Ihren sich in Längsrichtung
gegenüberliegenden Enden zwei konkave Spiegel aufweist, die die auftreffende Strahlung auf eine Kreisbahn hin- und her reflektieren. Die Spiegel der Herriott-Zelle in der US
4,953,976 sind mit einer dielektrischen Beschichtung
versehen. Der Laserstrahl wird über ein reflektierendes
Prisma in die Messzelle eingekoppelt. Er durchläuft diese mehrmals und wird dann über dasselbe Prisma durch eine Austrittslinse auf einen Detektor geleitet. Das detektierte Raman-Streulicht der Probe wird zur weiteren Analyse auf einen Photomultiplier fokussiert.
Auch aus der Veröffentlichung von Thomas Seeger, Johannes Kiefer und Alfred Leipertz, „Entwicklung eines laserbasierten Sensorsystems zur Gasanalyse", Gas-Erdgas, 148 (2007) Nr. 10, S. 548-553 ist eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Hier wird ein laserbasiertes Sensorsystem mit einem Anregungslaser, einem Spektrometer und einer Detekti- onseinheit offenbart. Der Anregungslaser ist hier ein Dioden- laser-gepumpter, frequenzverdoppelter, kontinuierlicher
Nd: YVO4~Laser . Der Laserstrahl wird über Spiegel in eine Messzelle fokussiert. Das im Messvolumen entstehende Signal wird mit einer sphärischen Linse gesammelt und mittels einer weiteren Linse auf den Eintrittsspalt eines Spektrometers fokussiert. Ein als CCD-Kamera ausgebildeter Detektor ist an der Austrittsebene des Spektrometers montiert und dient zur Aufzeichnung der Signale. Bei der zuvor beschriebenen Messvorrichtung wird ein zu untersuchendes Fluid der separaten Messzelle zugeführt. Die optischen Komponenten zur Detektion der Strahlung sind außerhalb der Messzelle angeordnet. Nachteilig insbesondere für den Einsatz in einer Kraftwerks- bzw. Turbinenumgebung ist eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie beispielsweise Erschütterungen oder Hitze.
Weiterhin bringt eine derartige Anordnung den Nachteil mit sich, dass eine Messung im laufenden Prozess, eine sogenannte Inline-Messung des zu untersuchenden Fluids, nicht möglich ist. Das Fluid muss zur Untersuchung entnommen werden, so dass die Aufnahme eines Spektrums nur mit einem erhöhten Aufwand erfolgen kann. Hierzu werden beispielsweise eine zusätzliche Verrohrung und Pumpen zur Entnahme des Fluids benötigt. Zusätzlich zu einem erhöhten apparativen Aufwand ergeben sich durch die Entnahme eines Fluids längere Wege bis zur Detektion, so dass eine zeitaufgelöste Echtzeit-Messung der von dem Fluid gestreuten Strahlung nicht umsetzbar ist. Als ein weiterer Nachteil der zuvor beschriebenen Anordnung ist hervorzuheben, dass sich beispielsweise bei einer Entnahme des Fluids, wie z. B. eines Synthesegas, dessen Zusam- mensetzung in Abhängigkeit des Drucks und der Temperatur verändern kann. Somit kann bei einer Entnahme und einer anschließenden sogenannten ex-situ-Untersuchung nicht sicher gewährleistet werden, dass die Zusammensetzung des Fluids nach der Entnahme der Zusammensetzung im laufenden Prozess entspricht.
Insgesamt hat sich die Raman-Spektroskopie, insbesondere durch die Einführung von Lasern, zu einer etablierten Methode in der Analytik und insbesondere in der Prozessüberwachung und Steuerung entwickelt. Mit Hilfe dieser Methode können Stoffströme einfach charakterisiert und analysiert werden. Messvorrichtungen zur Aufnahme von Raman-Spektren sind deswegen bisweilen hinlänglich bekannt und finden häufig Verwendung in der Industrie sowie auch in Forschungseinrichtungen. Beispielsweise sind sie an Hochschulen gängige Praxis zur Untersuchung fluider Proben.
Industrielle Anwendung finden Messvorrichtungen der eingangs genannten Art insbesondere in der Untersuchung von brennbaren Gasen. Durch die Verwendung spektroskopischer Methoden lassen sich die Zusammensetzung beispielsweise von Erdgas, Synthesegas, Biogas oder Kohlegas in einer Gasturbine genau bestimmen . Häufig wird die Zusammensetzung von Fluiden, und insbesondere Gasen, auch mit Messvorrichtungen bestimmt, die sich der etablierten Methode der Infrarot-Spektroskopie und/oder der Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases bedienen. Gegenüber der Messung mittels Infrarot-Absorption bietet jedoch die Bestimmung einer Gaszusammensetzung mittels Raman-Spektroskopie einige wichtige Vorteile. Durch die Verwendung von Raman-Spektroskopie können auch zweiatomige, homoatomare Moleküle, wie z.B. N2, H2 und O2 problemlos detektiert werden. Derartige Moleküle können mittels IR-Absorption nicht detektiert werden, da sie keinen Dipol aufweisen. Die Verwendung von Raman-Spektroskopie bietet aufgrund der inelastischen Streuung des Lichts an einem Molekül und der damit verbundenen Deformation der Elektronenhülle die Möglichkeit, neben den bereits erwähnten zweiatomigen Molekülen auch Dämpfe, wie Wasser, höhere Kohlenwasser- Stoffe, Alkanole, Ketone, etc. zu bestimmen.
Allerdings ist zu beachten, dass Moleküle üblicherweise einen sehr kleinen Raman-Streuquerschnitt besitzen. Deswegen ist bei der Aufnahme eines Spektrums eine hohe Lichtintensität im Messvolumen nötig, um ein detektierbares Signal zu erhalten. Hierzu werden beispielsweise Hochleistungslaser verwendet, die eine hohe Ausgangsleistung haben. Die Laufleistung von Hochleistungslasern im Dauerbetrieb ist jedoch aufgrund der hohen Beanspruchung verhältnismäßig kurz.
Unter Berücksichtigung der zuvor genannten Unzulänglichkeiten der bisher bestehenden und bekannten Messvorrichtungen ist eine erste Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche neben einer schnel- len und präzisen Messung ein thermisch und mechanisch stabiles Systems darstellt.
Weiterhin ist es eine zweite Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die es ermöglicht, den Prozessablauf während einer Messung aufgrund eines stabilen Strahlengangs und eines damit verbundenen geringeren Wartungsaufwands zu vereinfachen.
Ferner ist es eine dritte Ausgabe der Erfindung, eine Mess- Vorrichtung mit einer hohen Ausfallsicherheit anzugeben, die zusätzlich geringe Betriebskosten aufweist. Die erstgenannte Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messvorrichtung mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 1. Demnach umfasst die Messvorrichtung zur Aufnahme eines Raman- Spektrums eine Messzelle, die eine Anzahl von Durchtrittsfenstern aufweist, eine außerhalb der Messzelle angeordnete Lichtquelle, einen Detektor, der in einem Winkel α zur Lichtquelle angeordnet ist, und eine Fokusoptik zur Abbildung der Lichtquelle in einem Fokus. Dabei ist vorgesehen, dass die
Fokusoptik der Messvorrichtung innerhalb der Messzelle angeordnet ist.
Die Erfindung geht in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, dass es wünschenswert wäre, Raman-Spektroskopie für die Untersuchung von Brenngaszusammensetzungen in Echtzeit benutzen zu können. Mittels einer Inline-Raman-Messung bestünde die Möglichkeit, während eines laufenden Prozesses Spektren aufzunehmen und so zu jedem gewünschten Zeitpunkt die Kon- zentration einer Komponente des Fluids zu bestimmen.
Insbesondere können durch die Anwendung der Raman-Spektroskopie sowohl zweiatomige, homoatomare Moleküle als auch
Dämpfe größerer heteroatomarer Moleküle detektiert werden. Allerdings ist bei den üblicherweise von der Fachwelt verwendeten Raman-Spektroskopen die Optik zur Detektion der Streustrahlung des zu untersuchenden Mediums einer Vielzahl von äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Temperaturgradienten oder sich verändernder Luftfeuchtigkeit, ausgesetzt. Derar- tige Störungen erfordern insbesondere eine häufige Nachjus- tage, was einen erhöhten Arbeits- und Kostenaufwand mit sich bringt .
Die Erfindung sieht nun vor, eine Messvorrichtung zu verwen- den, die keinen oder nur geringen Störungen, die durch äußere Einflüsse hervorgerufen werden, ausgesetzt ist und die es ermöglicht, die Stabilität und die Handhabung einer Messvorrichtung zu erhöhen. Die Erfindung erkennt hierzu in einem zweiten Schritt, dass das zuvor Genannte durch eine Messvorrichtung erreicht werden kann, bei welcher die optischen Komponenten zur Detektion der Streustrahlung des zu untersuchenden Fluids überraschenderweise innerhalb der Messzelle, die von einem Fluid durchströmt wird, angeordnet sind. Im Gegensatz zu den aus der Literatur bekannten Lösungen, bei denen sich die optischen Elemente außerhalb einer mit dem zu analysierenden Fluid ge- füllten Zelle befinden, sind bei der vorliegenden Erfindung alle optischen Komponenten, die zur Fokussierung des Lichts dienen, innerhalb des Messvolumens angeordnet.
Durch eine derartige Anordnung können die Messungen schneller erfolgen, da beispielsweise Verzögerungen durch Zuleitungen zum Detektor oder gegebenenfalls Nachbehandlungsschritte des Fluids entfallen. Durch die Anordnung der optischen Komponenten innerhalb des Fluids kann auch die Gefahr der Verschmutzung der Komponenten verringert werden (beispielsweise durch Staub) , da die üblicherweise untersuchten Fluide eine geringere Staubbelastung als die Umgebungsluft haben. Typischerweise liegen die Werte für die Staubbelastung in einer Größenordnung von weniger als 30 Gew.-ppm. Weiterhin ist keine zusätzliche Verrohrung notwendig und es werden auch keine Pumpen zur Fluidentnahme benötigt. Zusätzlich bietet sich durch die Anordnung der optischen Komponenten innerhalb des Detektionsvolumens die Möglichkeit, kurze optische Wege zwischen dem Fokuspunkt im Detektionsvolumen zu erreichen, so dass auch die Turbulenz der Fluidströmung kaum einen Einfluss auf die Strahllage hat. Insbesondere kann durch die die Inline-Anordnung der optischen Komponenten und der damit verbundenen Möglichkeit einer in-situ-Messung gewährleistet werden, dass die Zusammensetzung des untersuchten Fluids der tatsächlich zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhandenen Zusammensetzung entspricht. Insbesondere durch die Verwendung von Linsen kurzer Brennweiten kann eine hohe Ausnutzung des Raumwinkels von inelastisch gestreuter Strahlung erreicht werden. Weiterhin kann durch die kurzen Brennweiten ein relativ großer Winkel zwischen den mehrfach reflektierten Strahlen erreicht werden. Die Interferenz wird somit nur zu einem sehr feinen Interferenzmuster führen, welches von der abbildenden Optik vor dem Detektor nicht aufgelöst werden kann. Durch die Verwendung von Linsen kurzer Brennweite kann eine äußerst kompakt ausgestaltete Focusoptik angegeben werden, die vorzugsweise im Zentrum eines Strömungsrohres für Brenngas einer Turbine angeordnet ist. Insbesondere einer mit einem Synthesegas betriebenen Gasturbine, die vergleichsweise große Rohrdurchmesser für die Zuleitung des Brenngases erfordern (Größer 600 mm), führt die Erfindung zu einer Anordnung, bei denen die Fokusoptik trotz des raumgreifenden Rohrdurchmessers wesentlich näher am
Brennpunkt angeordnet ist als von der betreffenden Rohrwand. Dies führte zu einer thermisch unabhängigen Messvorrichtung. Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Aufbaus ist die einfache Anpassung an verschiedene Rohrdurchmesser oder
Rezipienten-Maße .
Allgemein können die Brennweiten der Sammellinsen unabhängig voneinander gewählt sein. Es besteht somit die Möglichkeit, eine Anzahl Sammellinsen zu verwenden, von denen einige oder jede einzelne eine andere Brennweite hat. Hierdurch kann sich dann die Position des Fokuspunktes ändern.
Ferner bietet diese Anordnung durch eine Platzierung der Optik mitten in einem Fluid, also beispielsweise innerhalb eines Strömungsrohres einer Turbine, eine „automatische" Reinigung der Optik von Grob- und Feinstaub. Eventuell an einer optischen Komponente haftende Staubpartikel können durch das Fluid, welches die Komponente umströmt, abgelöst werden, so dass eine Verschmutzung verhindert werden kann.
Überraschenderweise bietet eine Messvorrichtung mit einer Fokusoptik innerhalb der Messzelle somit die Möglichkeit, schnelle und präzise Messungen in einem thermischen und mechanisch stabilen System durchzuführen.
Die Messvorrichtung zur Aufnahme eines Raman-Spektrums um- fasst eine Messzelle, die eine Anzahl von Durchtrittsfenstern aufweist. Die Messzelle kann separat oder insbesondere innerhalb eines Durchflussrohres, beispielsweise einer Gasturbine, positioniert sein. Bei einer Anordnung innerhalb eines Rohres ist die Geometrie der Messzelle den Abmessungen des Rohres entsprechend vorgegeben. Eine separat ausgeführte Messzelle, die beispielsweise nicht innerhalb eines Rohres angeordnet ist, kann grundsätzlich verschiedene Querschnitte aufweisen. Sie kann beispielsweise mit einem runden Querschnitt ausgebildet sein, also in Form eines Rohres, oder einen rechtecki- gen Querschnitt aufweisen. Die Ausgestaltung der Messzelle ist hierbei abhängig von den an die Messvorrichtung gestellten Anforderungen, bzw. von den bereits vorhandenen Vorrichtungskomponenten . Die Messzelle kann grundsätzlich aus verschiedenen Materialien gefertigt sein. Es ist denkbar, dass sie aus Glas besteht, wie beispielsweise eine Herriott-Zelle, oder aus einem Metallwerkstoff gefertigt ist. Die Durchtrittsfenster, die in oder auch auf den Wänden der Messzelle angebracht sind, kön- nen entweder im Fertigungsprozess eingebracht sein oder nachträglich in die Messzelle eingebracht sein.
Sollen durch die Messzelle aggressive Fluide, wie beispielsweise korrosive Gase, unter hohem Druck geleitet werden, müs- sen die die Durchtrittsfenster insbesondere den an sie gestellten Anforderungen genügen. Sie können aus einem hochfesten und korrosionsbeständigen Material, wie zum Beispiel Saphir, gefertigt sein. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, aus einem nicht reflektierenden Glas gefertigte Fenster zu verwenden. Insgesamt kann das Material für die Durchtrittsfenster den Anforderungen, also zum Beispiel den Gasen, mit denen sie in Kontakt treten, angepasst werden. Die Durchtrittsfenster sind vorteilhafterweise den Abmessungen der Messzelle angepasst. Beispielsweise kann eine mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildete Messzelle mit auf vier gegenüberliegenden Seiten der Messzelle positionierten Durchtrittsfenstern ausgebildet sein. Im Falle eines runden Querschnitts können die Fenster beispielsweise auch abgerundet ausgebildet sein. Insbesondere sind jedoch die Stellen der Fenster flächig ausgebildet, an denen der Lichtstrahl in die Zelle eintritt. Weiterhin sind Durchtrittsfenster denk- bar, die eine Krümmung aufweisen und insofern als zusätzliche optische Funktion beispielsweise eine Fokussierung bewirken. Allgemein ist auch denkbar, dass die Durchtrittsfenster derart ausgebildet sind, dass sie, zumindest teilweise, die optischen Komponenten, also beispielsweise die Sammellinsen, ersetzen.
Die außerhalb der Messzelle angeordnete Lichtquelle kann beispielsweise als eine Leuchtdiode, als eine Hochdruckdampflampe (z.B. Quecksilber-, Krypton- oder Natriumdampflampen) oder auch als ein Laser ausgestaltet sein. Laser bieten sich insbesondere aufgrund ihres monochromatischen Lichtes an. Weiterhin sind insbesondere leistungsstarke Laser im kurzwelligen Bereich (unterhalb von 600 nm) in den letzten Jahren erschwinglich geworden. Insbesondere werden Diodenlaser mit einer Leistung von etwa 3 bis 4 Watt verwendet. Üblicherweise werden kontinuierlich arbeitende Anregungs-Laser verwendet, die einen Wellenlängenbereich von IR - bis UV-VIS Strahlung abdecken . Zur Detektion der Streustrahlung kann der Detektor auf verschiedene Weise ausgebildet sein. Die Streustrahlung kann beispielsweise mittels eines Photomultipliers gesammelt werden und über Filter und Linsen auf eine Detektionseinheit weitergeleitet werden, die das Signal in eine Spannung umwan- delt und ausgibt. Insbesondere ist der Detektor mit einem
Bandpasssperrfilter ausgebildet, an den sich ein CCD-basier- ter Spektralanalysator anschließt. Auf diese Weise kann die vom Laser emittierte Primärwellenlänge herausgefiltert wer- den. Zur weiteren Verarbeitung können insbesondere Gitter- und Zeilen-CCD-Analysatoren verwendet werden, die das Streulicht spektral auftrennen oder zerlegen. Der Detektor ist in einem Winkel α zur Lichtquelle angeordnet. Der Winkel α ist bei der Erfindung grundsätzlich nicht auf einen spezifischen Wert festgelegt. Vorteilhafterweise liegt der Winkel jedoch in einem Bereich zwischen 60° und 120°, insbesondere in einem Bereich zwischen 80° und 100°. Durch die Wahl des Winkels in dem angegebenen Bereich kann verhindert werden, dass Licht der Lichtquelle auf den Detektor rückgestreut wird. Da Rückstreuung ein breites Untergrundsignal hervorrufen kann, kann die Empfindlichkeit der Messungen gestört werden und die gewünschte Genauigkeit nicht erreicht werden. Weiterhin kann durch eine derartige Anordnung Einfluss auf die Position des Fokuspunkts des gestreuten Lichts genommen werden. Der Fokuspunkt kann grundsätzlich an einem beliebigen Punkt innerhalb der Messzelle liegen, die Position wird hierbei allgemein durch die Brennweiten f der Sammellinsen bestimmt.
Die Fokusoptik, die zur Abbildung der Lichtquelle im Fokuspunkt dient, ist innerhalb der Messzelle angeordnet. Hierbei befinden sich insbesondere die optischen Komponenten, die unmittelbar zur Fokussierung des Lichtes in den Fokuspunkt dienen innerhalb des Messvolumens. Eine Integration der Messzelle und der optischen Komponenten in ein Messsystem, also beispielsweise in ein Strömungsrohr einer Gasturbine, bietet die Möglichkeit der direkten Bestimmung, also einer Inline- Bestimmung, der Zusammensetzung eines Fluidgemisches, da beispielsweise keine Fluidentnahme notwendig ist. Die Messungen können daher wesentlich schneller erfolgen und es treten keine Verzögerungen auf, die beispielsweise durch die Zuleitungen zu einem Analysator oder durch weitere Schritte zur Behandlung des Fluids, wie eine Kühlung, eine Trocknung oder eine Filterung, etc. auftreten. Weiterhin entfällt eine gesonderte Entsorgung des Fluids. Durch die aufgrund der Anordnung der optischen Komponenten innerhalb der Messzelle möglich gewordenen geringen Abstände zwischen den optischen Komponenten und dem Messvolumen, bzw. zwischen den optischen Komponenten und dem Fokuspunkt ist der Aufbau der Messvorrichtung mechanisch sehr stabil. Hierbei kann der Abstand der optischen Komponenten zum Fokuspunkt bzw. zum Messvolumen den jeweiligen Anforderungen der Messvorrichtung angepasst werden. Bei kurzen optischen Wegen zwischen den einzelnen Komponenten und dem Messvolumen, also wenn die optischen Komponenten innerhalb der Messzelle angeordnet und somit nah am Messvolumen positioniert sind, besteht außerdem kaum ein Einfluss durch eventuelle Turbulenzen innerhalb des Fluidstroms auf die Strahllage der eingestrahlten Lichtquelle.
Die optischen Komponenten, die grundsätzlich unterschiedlich ausgebildet sein können, z.B. als Linse, als Spiegel oder als Prisma, weisen vorteilhafterweise kurze Brennweiten auf, wodurch eine hohe Ausnutzung des Raumwinkels von inelastisch gestreuter Strahlung erreicht werden kann.
Eine Platzierung der Optik mitten in einem Fluidstrom sorgt zusätzlich für eine schnelle Thermalisierung der optischen Komponenten, so dass z.B. eine aktive Heizung gegen Kondensa- tion des Fluids an den optischen Komponenten entfällt. Weiterhin kann durch den kontinuierlichen Fluidstrom, der an den optischen Komponenten vorbeiströmt, eine externe Reinigung vermieden werden, so dass die Instandhaltungsarbeiten und Wartungskosten einer derartigen Messvorrichtung gering gehal- ten werden können.
Insgesamt bietet die Verwendung einer Messvorrichtung mit den vorgenannten Eigenschaften somit die Möglichkeit einer schnellen und sauberen Untersuchung von Fluidzusammensetzun- gen. Durch die Verwendung einer Fokusoptik, die innerhalb einer Messzelle angeordnet ist, können Prozessabläufe vereinfacht werden und durch verringerte Instandhaltungs- und Wartungsarbeiten ebenso wie durch die Gewährleistung von thermi- scher und mechanischer Stabilität der Messvorrichtung Kosten eingespart werden.
Um die Streustrahlung einer mit einem Lichtstrahl bestrahlten Probe zu detektieren, muss die Strahlung gesammelt und auf einen Detektor weitergeleitet werden. Die Messvorrichtung um- fasst demnach eine Abbildungsoptik zur Abbildung von
Streustrahlung auf den Detektor, wobei zumindest eine
optische Komponente der Abbildungsoptik zwischen dem Detektor und dem Fokuspunkt angeordnet ist. Die vom Fokuspunkt auf die optische Komponente treffende Streustrahlung kann
anschließend zur weiteren Analyse auf den Detektor fokussiert werden . Die Abbildungsoptik kann insbesondere mehrere optische Komponenten umfassen. Diese Komponenten können entweder als Linsen oder als Spiegel ausgebildet sein und dienen der Sammlung und Fokussierung der Strahlung vom Fokuspunkt auf den Detektor. Weiterhin können die optischen Komponenten als Filter oder Blenden ausgestaltet sein, um zum Beispiel störende Hintergrund-Strahlung oder Streulicht herauszufiltern oder den Lichtstrahl in seiner Geometrie, wie zum Beispiel im Hinblick auf den Strahl-Durchmesser, zu begrenzen. Die optische Komponente der Abbildungsoptik ist eine
innerhalb der Messzelle angeordnete erste Sammellinse. Die von einem Molekül gestreute inelastische Strahlung trifft auf die zwischen dem Detektor und dem Fokuspunkt positionierte erste Sammellinse, die das Licht bzw. die Strahlung auf den Detektor leitet. Durch die Anordnung dieser ersten
Sammellinse innerhalb der Messzelle kann das auf die Sammellinse auftreffende Licht linearisiert werden.
Die Fokusoptik zur Abbildung der Lichtquelle in einem Fokus- punkt umfasst eine innerhalb der Messzelle angeordnete zweite Sammellinse. Diese zweite Sammellinse kann an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein. Insbesondere befindet sich die zweite Sammellinse innerhalb der Messzelle zwischen dem Fokuspunkt und der Lichtquelle. Das von der Lichtquelle emittierte Licht kann mittels dieser zweiten Sammellinse auf einen im Messvolumen befindlichen Fokuspunkt fokussiert werden, so dass sich die Lichtintensität in eben diesem Fokus- punkt erhöht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben. Bevorzugt weisen die Seitenwände der Messzelle bezüglich der durch die Lichtquelle, den Detektor und den Fokuspunkt definierten Ebene einen Abstand in einem Bereich zwischen 200 mm und 1000 mm auf. Derartige Abmessungen der Messzelle bieten die Möglichkeit, kurze Abstände zwischen den optischen Kompo- nenten einzustellen. Auf diese Weise können mechanische
Schwankungen verhindert werden. Je kleiner das Messvolumen ist, desto näher lässt sich die Optik am Fokuspunkt platzieren. Bei einem kleinen Messvolumen ergeben sich somit besonders kurze optische Wege, so dass kaum ein Einfluss durch die Turbulenz der Fluidströmung auf die Strahllagen verzeichnet werden kann.
Um eine hohe Ausnutzung des Raumwinkels von inelastisch gestreuter Strahlung zu erreichen, werden vorteilhafterweise Linsen mit kurzen Brennweiten verwendet. Die Brennweite der jeweiligen Sammellinse ist bevorzugt kleiner als der halbe Abstand zwischen den Wänden der Messzelle. Durch die Verwendung von Linsen mit kurzen Brennweiten können weiterhin relativ große Winkel (z.B. bis zu 90°) zwischen den mehrfach re- flektierten Strahlen erreicht werden. Die Interferenz der
Strahlen wird hierbei nur zu einem sehr feinen Interferenzmuster führen, das von der Optik vor dem Detektor nicht mehr aufgelöst werden kann. Grundsätzlich kann das Fluid innerhalb der Messzelle stationär ruhen. Bevorzugt ist die Messzelle von einem Fluid durchströmbar. Als Fluide sind sowohl Flüssigkeiten, insbesondere jedoch Gase denkbar. Durch eine derartige InLine-Ausgestal- tung können fluide Proben direkt während des Prozesses, also im Fluss, untersucht werden. Weiterhin erhält man die Möglichkeit, zeitabhängige Untersuchungen der Konzentrationen einzelner Bestandteile in Fluiden durchzuführen.
Um die Strahlintensität im Fokuspunkt zu erhöhen, ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein erster Reflektor bezüglich des Fokuspunktes gegenüber der Lichtquelle positioniert, wobei zwischen dem ersten Reflektor und dem Fokuspunkt eine dritte Sammellinse innerhalb der
Messzelle angeordnet ist. Der der Lichtquelle gegenüberliegende Reflektor wirft das auf ihn treffende Licht zurück. Somit gelangt Licht zurück in den Fokuspunkt, wodurch sich im Fokuspunkt innerhalb des Messvolumens die Lichtintensität be- sonders erhöht. Durch die Verwendung einer Sammellinse, die zwischen dem ersten Reflektor und dem Fokuspunkt innerhalb der Messzelle angeordnet ist, wird das vom Reflektor zurückgestrahlte Licht in der Sammellinse gesammelt und von dort direkt auf den Fokuspunkt fokussiert. Die Brennweite der Sam- mellinse und auch der Abstand der Sammellinse zum Reflektor kann hierbei den Abmessungen der Messzelle angepasst sein.
Bevorzugt ist ein zweiter Reflektor bezüglich des Fokuspunktes gegenüber dem Detektor positioniert. Zwischen dem zweiten Reflektor und dem Fokuspunkt ist innerhalb der Messzelle eine vierte Sammellinse angeordnet. Durch die Verwendung eines zweiten Reflektors, der dem Detektor gegenüberliegend positioniert ist, kann das inelastisch vom Detektor weg gestreute Licht des Fluids erneut in den Fokuspunkt zurück reflektiert werden, wodurch eine weitere Vervielfachung des Lichtes und damit eine Erhöhung des Raman-Signals erreicht werden kann.
Um die Intensität des Lichtes im Fokuspunkt noch weiter zu erhöhen, ist bevorzugt ein dritter Reflektor bezüglich des Fokuspunktes gegenüber dem ersten Reflektor positioniert.
Durch eine derartige Anordnung durchläuft der Lichtstrahl den Fokuspunkt mehrfach, so dass sich die Lichtintensität im Fokuspunkt vervielfacht. Insgesamt kann also durch die Verwendung mehrerer Reflektoren und das damit verbundene mehrmalige Durchlaufen des Fokuspunktes durch den Lichtstrahl eine Intensitätsvervielfachung des Lichtes erreicht werden, die der zu untersuchenden Fluid- oder Fluidzusammensetzung bzw. Konzentration angepasst werden kann. Diese Ausgestaltung bietet die Möglichkeit, auch geringe Konzentrationen innerhalb eines Fluids zu bestimmen. In einer weiter bevorzugten Ausführung der Erfindung sind der erste Reflektor und/oder der zweite Reflektor und/oder der dritte Reflektor jeweils als ein Retroreflektor ausgebildet. Ein Retroreflektor reflektiert das auf ihn treffende Licht weitgehend unabhängig von seiner Ausrichtung in Richtung zu- rück zur Strahlungsquelle. Der Retroreflektor, beispielsweise ein sogenannter Tripelspiegel, ist üblicherweise durch drei Spiegel ausgebildet, die jeweils senkrecht zueinander stehen. Bei Verwendung eines Retroreflektors läuft der reflektierte Strahl immer parallel zum einfallenden Strahl. Der Strahlen- gang ist hierbei unempfindlich gegenüber thermischen Einflüssen ebenso wie gegenüber mechanischer Verkippung des Retroreflektors. Auch bei einer Änderung der Position des Reflektors, wie sie zum Beispiel durch eine Temperaturänderung oder eine Erschütterung der Messvorrichtung hervorgerufen werden kann, bleibt die Strahlführung aufgrund eines nur geringen Versatzes des Lichtstrahls stabil.
Das aus einem Fokuspunkt über eine Sammellinse auf einen Retroreflektor auftreffende Licht wird aufgrund der Parallelität von Einfalls- und Austrittsstrahlung nach Durchtritt durch die Sammellinse direkt in den Fokuspunkt zurück reflektiert, woraus eine Vervielfachung des Lichtes resultiert. Weiterhin ist aufgrund des durch einen Retroreflektor bewirkten seitlichen Versatzes Licht nach mehrfachem Durchlaufen kontrolliert zum Beispiel in einem Strahlfänger absorbierbar. Insgesamt bietet die Verwendung eines Retroreflektors im Vergleich zu einem anders ausgebildeten Reflektor, wie beispielsweise einem Hohlspiegel, die Möglichkeit, Licht kontrolliert zu re- flektieren, und die Anzahl der Lichtdurchläufe im Messvolumen festzulegen, so dass eine definierte Intensitätsvervielfachung im Fokuspunkt erreicht werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung um- fasst die Messvorrichtung eine Mehrzahl von Lichtquellen, die jeweils über ein Durchtrittsfenster in die Messzelle eingekoppelt sind und die mittels der Fokusoptik im Fokuspunkt fokussiert sind. Durch die Verwendung mehrerer Lichtquellen und damit auch mehrerer Lichtstrahlen kann unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Strahlen kollinear sind, nach dem Durchlaufen einer Sammellinse ebenfalls die Lichtintensität in einem gemeinsamen Fokuspunkt innerhalb der Messzelle erhöht werden. Weiterhin erhöht eine derartige Ausgestaltung die Ausfallsicherheit der Messvorrichtung, da auch bei dem Ausfall einer Lichtquelle die Messungen nicht unterbrochen werden müssen. Geeignete Lichtquellen sind zum Beispiel Laser oder Leuchtdioden mit Kollimatoroptik. Zusätzlich stellt die Verwendung mehrerer schwächerer Lichtquellen statt einer ein- zigen intensiveren eine deutliche Kostenersparnis dar (beispielsweise wächst der Preis für einen Diodenlaser stärker als linear mit der Ausgangsleistung) . Des Weiteren kann durch Einkopplung der Lichtstrahlen über ein Durchtrittsfenster in die Messzelle nur eine Fokusoptik verwendet werden, was die Kosten weiter verringert und den Aufbau vereinfacht. Insgesamt können die einzelnen Lichtquellen verschiedene Abstände zur optischen Achse aufweisen, sie müssen also nicht symmetrisch um die optische Achse angeordnet sein. Um die Messvorrichtung derart auszugestalten, dass die Lichtintensität zur Untersuchung eines bestimmtem Fluid bzw. einer bestimmten Zusammensetzung ausreicht, ist bevorzugt ein Absorber umfasst, welcher in Kombination mit einem oder jedem Reflektor zur Absorption des lateral versetzten Lichtstrahls dient. Hierbei können z.B. ein Beamdump oder Absorberplatten verwendet werden, die mit einer Beschichtung versehen sind, die das auftreffende Licht komplett absorbieren. Der Absorber ist insbesondere an der Stelle des Strahlengangs angeordnet, an dem der Strahl kontrolliert unterbrochen werden soll. Der Absorber kann beispielsweise zwischen der zweiten Sammellinse und der Lichtquelle positioniert sein. Er dient als Strahlenfänger und absorbiert die auf ihn treffende Strahlung, so dass die Strahlung nicht mehr in die Messzelle zurückgelangen kann .
Die zweitgenannte Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messvorrichtung mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 12.
Demnach umfasst die Messvorrichtung zur Aufnahme eines Raman- Spektrums eine Messzelle, die eine Anzahl von Durchtrittsfenstern aufweist, eine außerhalb der Messzelle angeordnete Lichtquelle, einen Detektor, der in einem Winkel α zur Lichtquelle angeordnet ist, eine Fokusoptik zur Abbildung der Lichtquelle in einem Fokuspunkt und einen ersten Reflektor, der bezüglich des Fokuspunkts gegenüber der Lichtquelle positioniert ist, wobei der Reflektor als ein Retroreflektor aus- gebildet ist.
In einem ersten Schritt geht die Erfindung von der Tatsache aus, dass bei der Aufnahme eines Raman-Spektrums in einem Fluid die Lichtintensität im Fokuspunkt besonders hoch sein muss, da Raman-Streuung, also die inelastische Streuung des Lichtes an einem Molekül, sehr geringe Intensitäten hat.
Üblicherweise wird die Lichtintensität durch die Verwendung von Spiegeln dadurch erhöht, dass das auf die Spiegel einfallende Licht in das Messvolumen zurück reflektiert wird. Bei der Verwendung zweier gegenüberliegend positionierter Spiegel wird das Licht einige Male innerhalb des Messvolumens hin und her reflektiert, so dass sich die Lichtintensität im Messvolumen insgesamt erhöht. Hierzu werden vom Fachmann üblicherweise Hohlspiegel oder auch Prismen eingesetzt. Nachteilig bei diesen Spiegeln und Prismen ist allerdings, dass eine
Verkippung eines Hohlspiegels bzw. des Prismas, wie sie durch thermische oder mechanische Störungen verursacht werden kann, einen deutlichen Versatz des Strahlengangs bewirkt. Die Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten an einer
Messvorrichtung mit einem Hohlspiegel sind dementsprechend kosten- und zeitintensiv, was ebenso für die erforderliche Justierung der Prismen bei der Montage gilt.
Zudem liefern Prismen bei Fehlanstrahlung/Fehlausrichtung keine vollständige Abbildung. Derartige Abbildungen weisen nämlich linienartige Lücken in Form von schwarzen Streifen auf, wodurch ursprünglich enthaltene Informationen im zurück gespiegelten Lichtspektrum verloren gehen. Außerdem liefern Prismen aufgrund der unvermeidbaren Lichtdispersion im
Glasmaterial einen chromatischen Abbildungsfehler, der bereits bei geringen Abweichungen von der idealen Justage eine saubere und wellenlängenunabhängige Abbildung des
Fokusbereichs des primären Lichtstrahles auf einen Detektor erschwert .
In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass Retro- reflektoren das Licht stabiler und von äußeren Einflüssen unabhängiger und somit kontrolliert und planbar durch eine zu untersuchende Probe leiten. Die Erfindung sieht demnach vor, einen Retroreflektor zur Reflektion von Licht zu verwenden.
Der von einem Retroreflektor zurück reflektierte Lichtstrahl läuft mit einem gewissen Lateralversatz parallel zum einfallenden Strahl durch die Probe. Der Strahlengang eines Retro- reflektors ist unempfindlich gegenüber thermischen Einflüssen ebenso wie gegenüber mechanischer Verkippung. Ändert sich die Position des Retroreflektors, beispielsweise aufgrund eines Temperaturanstiegs, bleibt die Strahlführung aufgrund eines nur geringen Versatzes des Lichtstrahls nach der Reflektion stabil und auch die Parallelität des Strahlengangs bleibt unabhängig von einer Verkippung bestehen. Das aus einem Fokuspunkt über eine Sammellinse auf einen Retroreflektor auftref- fende Licht wird aufgrund der Parallelität von Einfalls- und Austrittsstrahlung nach Durchtritt durch die Sammellinse in den Fokuspunkt zurück reflektiert, woraus eine Vervielfachung des Lichtes resultiert. Die Kombination aus einer Sammel- linse, die das Licht parallelisiert, und einem Reflektor, auf den das Licht weitergeleitet wird, ersetzt besonders vorteilhaft die optische Funktion eines Hohlspiegels. Mit anderen Worten bietet die Verwendung eines Retroreflek- tors die Möglichkeit, den über ein Durchtrittsfenster in die Messzelle eingekoppelten Lichtstrahl mehrfach zu reflektieren und nach jeder Reflektion wieder durch den gleichen Fokuspunkt zu leiten. Durch diese definierte Wiederverwendung von Anregungs- oder Streulicht kann die Intensität im Fokuspunkt zur Untersuchung einer Fluidzusammensetzung effektiv genutzt werden. Weiterhin ist der Strahlengang unempfindlicher gegen thermisch bedingte Verkippungen der optischen Elemente als z.B. die Verwendung eines Hohlspiegels.
Überraschenderweise ergibt sich durch eine derartig ausgestaltete Messvorrichtung für den Fachmann die Möglichkeit, durch die Verwendung eines Retroreflektors einen besonders stabilen Strahlengang und damit verlässliche Messergebnisse zu erzielen. Die Prozessabläufe während einer Messung werden aufgrund geringerer Wartungsarbeiten vereinfacht und durch die Gewährleistung eines stabilen Strahlengangs sind die Messergebnisse reproduzierbar. Weiterhin kann durch die Kombination einer Sammellinse und eines Retroreflektors eine Trennung von Fokussierung und Reflektion erreicht werden. Im Gegensatz zu einem Hohlspiegel kann die Sammellinse als separate optische Komponente zur Fokussierung der Streustrahlung näher an das Messvolumen ge- bracht werden. Hierdurch können die optischen Wege zwischen den Komponenten der Fokusoptik und dem Messvolumen verkürzt werden .
Insgesamt bietet also die Verwendung einer Messvorrichtung mit einem Retroreflektor die Möglichkeit, das verwendete
Licht kontrolliert in einem Fokuspunkt zu sammeln und durch eine derartige Erhöhung der Lichtintensität im Fokuspunkt die Messgenauigkeit bei der Untersuchung einer Fluidzusammenset- zung zu erhöhen.
Für die Ausgestaltungen der einzelnen Komponenten dieser zweiten Messvorrichtung gilt das bereits zur erstgenannten Messvorrichtung Ausgeführte. Dabei können die genannten Vorteile der vorgenannten Weiterbildungen sinngemäß auf die zweite Messvorrichtung übertragen werden. Die drittgenannte Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messvorrichtung mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 29.
Demnach umfasst die Messvorrichtung zur Aufnahme eines Raman- Spektrums eine Messzelle, die eine Anzahl von Durchtrittsfenstern aufweist, wenigstens eine außerhalb der Messzelle angeordnete Lichtquelle, einen Detektor, der in einem Winkel α zur Lichtquelle angeordnet ist und eine Fokusoptik zur Abbildung der Lichtquelle in einem Fokuspunkt, wobei mehrere Lichtquellen über ein Durchtrittsfenster in die Messzelle eingekoppelt sind, die mittels der Fokusoptik in einem gemeinsamen Fokuspunkt fokussiert sind
Ausgehend von den an die Messvorrichtung gestellten Anforde- rungen geht die Erfindung in einem ersten Schritt davon aus, dass zur Aufnahme eines Raman-Spektrums in einer Fluidmi- schung die Lichtintensität hoch genug sein muss, um ein auswertbares Signal zu erhalten. Bei der Verwendung einer einzelnen Lichtquelle, beispielsweise einem Laser, wie er übli- cherweise vom Fachmann verwendet wird, kann beispielsweise bei einem Ausfall des Lasers die Messvorrichtung nicht weiter betrieben werden. Insbesondere im laufenden Betrieb bei großen Unternehmen ist eine Ausfall einer Messvorrichtung und die damit verbundenen Wartungsarbeiten und Reparaturkosten äußerst unerwünscht.
Um mit einem einzelnen Laser, der im Hochleistungsdauerbetrieb beispielsweise eine Lebensdauer von 10.000 bis 15.000 Stunden hat und somit für eine Langzeitmessung von nur 1 Jahr konzipiert ist, Fluid- und besonders Gaszusammensetzungen analysieren, fallen hohe Kosten an. Allerdings ist es für den Fachmann bis zum jetzigen Zeitpunkt unumgänglich, Hochleis- tungslaser zu verwenden, da die Lichtintensität im Messvolumen hoch genug sein muss, um die Fluide zu untersuchen.
In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass diese Nachteile überwunden werden, wenn mehrere monochromatische Strahlungsquellen verwendet werden, deren kollineare Strahlen in einem gemeinsamen Fokuspunkt zusammenlaufen. Weiterhin ermöglicht die Redundanz der Lichtquellen sogar im laufenden Betrieb einen Austausch defekter Einzelquellen, ohne eine Messung unterbrechen zu müssen. Somit ist es nicht einmal für Wartungs- und Reparaturphasen notwendig, einen laufenden Betrieb zu unterbrechen.
Bei einem Ausfall einer Lichtquelle resultiert zwar eine Verringerung der Lichtintensität im Fokuspunkt, wodurch sich auch das Messsignal verringert, allerdings kann bei entsprechender Wahl der Ausgangsintensität auch bei einem Ausfall einer Lichtquelle immer noch eine vollkommen ausreichende Genauigkeit der Messung sichergestellt werden. Eine derartige Ausfallsicherheit ist insbesondere für Anwendungen in der Prozess- und Kraftwerkstechnik sowie auch im medizinischen Bereich von großer Wichtigkeit. Zusätzlich kann der Einsatz mehrerer schwächerer Lichtquellen anstatt einer einzigen intensiven Lichtquelle eine deutliche Kostenersparnis mit sich bringen.
Mit anderen Worten bietet eine Messvorrichtung mit mehreren redundanten Lichtquellen, vorzugsweise drei bis zwölf
Lichtquellen, eine hohe Ausfallsicherheit, einen
kostengünstigen Betrieb und einen geringen Wartungsaufwand.
Der Abstand der Lichtquellen zur optischen Achse kann unterschiedlich sein. Unabhängig von den Abständen können die von den Lichtquellen emittierten Lichtstrahlen in einem gemeinsa- men Fokuspunkt innerhalb der Messzelle bzw. des Detektions- volumens fokussiert werden.
Für die Ausgestaltungen der einzelnen Komponenten der dritten Messvorrichtung gilt das bereits zur erstgenannten Messvorrichtung Ausgeführte. Weiterhin können die genannten Vorteile der vorgenannten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung sinngemäß auf die dritte Messvorrichtung übertragen werden. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 eine Draufsicht auf eine Messvorrichtung mit einer
Messzelle, die von einem Laserstrahl durchstrahlt wird, und in der eine Abbildungsoptik und eine Fokusoptik innerhalb der Messzelle angeordnet sind,
FIG 2 eine Draufsicht auf eine Messvorrichtung, bei welcher die Abbildungsoptik und die Fokusoptik außer- halb der Messzelle positioniert sind, wobei die
Messvorrichtung drei Reflektoren aufweist,
FIG 3 eine Draufsicht auf eine Messvorrichtung, bei der eine Abbildungsoptik und eine Fokusoptik innerhalb der Messzelle angeordnet sind und die Reflektoren aufweist, und
FIG 4 einen Ausschnitt aus einer Messvorrichtung mit zwei
Lichtquellen, die über eine Sammellinse in die Messzelle eingekoppelt werden und einen gemeinsamen
Fokuspunkt durchlaufen.
FIG 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Messvorrichtung 1 zur Aufnahme eines Raman-Spektrums . Die Messvorrichtung 1 umfasst eine Messzelle 3, die mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet ist. Die Messzelle 3 hat vier Durchtrittsfenster 5, die sich jeweils an den Seitenwänden 7 der Messzelle 3 befin- den. Jeweils zwei der Durchtrittsfenster 5 sind einander gegenüberliegend positioniert.
Die Messzelle 3 ist innerhalb eines durchströmten Rohres einer Gasturbine angeordnet. Das Rohr bzw. die Gasturbine sind in der Figur nicht gezeigt. Durch die Positionierung der Messzelle 3 innerhalb des Rohres kann eine Inline-Raman-Mes- sung vorgenommen werden, es besteht also die Möglichkeit, während des laufenden Prozesses Spektren zur Bestimmung der Fluidzusammensetzung aufzunehmen und so zu jedem gewünschten Zeitpunkt die Konzentration einer Komponente des Fluids zu bestimmen .
Außerhalb der Messzelle 3 ist eine als Laser ausgebildete Lichtquelle 9 angeordnet, die einen Lichtstrahl 11 emittiert. (Der Strahlengang des Lichtstrahls 11 ist mit Pfeilen verdeutlicht.) In einem Winkel von α = 90° zur Lichtquelle 9 ist ein Detektor 13 angeordnet, der sich außerhalb der Messzelle 3 hinter den Durchtrittsfenstern 5 befindet. Durch einen Win- kel von 90° kann verhindert werden, dass Licht auf den Detektor rückgestreut wird. Da Rückstreuung ein breites Untergrundsignal hervorrufen kann, kann die Empfindlichkeit der Messungen gestört werden und die die gewünschte Genauigkeit nicht erreicht werden.
Die Messzelle 3 wird von einem Fluid durchströmt, welches nicht kenntlich gemacht ist. Das Fluid ist insbesondere ein Brenngas, dessen Zusammensetzung mittels der Messvorrichtung 1 unter Verwendung von Raman-Spektroskopie ermittelt werden kann.
Die Messvorrichtung 1 ist weiterhin mit einer Abbildungsoptik 15 ausgestattet, die teilweise innerhalb der Messzelle 3 angeordnet ist. Die Abbildungsoptik 15 dient der Abbildung der Streustrahlung, die von einem die Messzelle 3 durchströmenden Fluid herrührt. Die Streustrahlung wird hierbei auf den
Detektor 13 fokussiert. Eine derartige Positionierung der Abbildungsoptik 15 ermöglicht einer Inline-Bestimmung eines Fluids. Weiterhin kann eine Verschmutzung, zum Beispiel durch aus der Umgebungsluft herrührende Staubpartikel vermieden werden . Die Abbildungsoptik 15 beinhaltet verschiedene optische Komponenten, die vorliegend als Sammellinsen 17, 19 ausgebildet sind. Die Sammellinsen 17, 19 befinden sich innerhalb der Messzelle 3 und sind hinter den Durchtrittsfenstern 5 positioniert. Die Sammellinsen 17, 19 befinden sich direkt im Gas- ström und können so vor Verschmutzungen geschützt werden.
Die Sammellinse 19 ist innerhalb der Messzelle 3 zwischen dem Fokuspunkt 23 und dem Durchtrittsfenster 5 positioniert und leitet auf sie treffende Strahlung auf den Detektor 13.
Die Sammellinse 17 ist der ersten Sammellinse 19 gegenüberliegend ebenfalls zwischen dem Fokuspunkt und einem weiteren Durchtrittsfenster 5 angeordnet. Außerhalb der Messzelle 3 ist hinter dem Durchtrittsfenster 5 ein als Retroreflektor ausgebildeter Reflektor 20 angeordnet. Die im Fokuspunkt 23 fokussierte Streustrahlung wird in Richtung der Sammellinse 17 gestreut. Die Sammellinse 17 parallelisiert das auf sie auftreffende Licht und leitet es in Richtung auf den Reflektor 20 weiter, wo es erneut reflektiert und zurück in den Fokuspunkt 23 fokussiert wird.
Weiterhin befindet sich innerhalb der Messzelle 3 eine Fokusoptik 21, die zur Abbildung der Lichtquelle 9, bzw. der von der Lichtquelle 9 emittierten Lichtstrahlen 11 in einen
Fokuspunkt 23 dient. Hierzu ist zwischen dem Fokuspunkt 23 und der Lichtquelle 9 eine weitere Sammellinse 25 innerhalb der Messzelle 3 positioniert. Die Sammellinse 25 bündelt das einfallende Licht und fokussiert es auf den Fokuspunkt 23, der sich in FIG 1 mittig in der Messzelle 3 befindet.
Auf der der Lichtquelle 9 bezüglich des Fokuspunkts 23 gegenüberliegenden Seite der Messzelle 3 ist ein erster Reflektor 27 angeordnet. Zwischen dem Reflektor 27 und dem Fokuspunkt 23 ist eine vierte Sammellinse 29 angeordnet, die das Licht aus dem Fokuspunkt 23 aus den Reflektor 27 leitet. Der Reflektor 27 ist außerhalb der Messzelle 3 angeordnet und als ein sogenannter Retroreflektor ausgestaltet. Der Retroreflek- tor 27 reflektiert das auf ihn treffende Licht mit einem
Lateralversatz parallel zur Einfallsrichtung. Somit kann besonders einfach und effektiv ein klar definierter Strahlengang festgesetzt werden. Der Fokuspunkt 23 kann grundsätzlich an einem beliebigen Punkt innerhalb der Messzelle 3 liegen, die Position wird hierbei allgemein durch die Brennweiten f der Sammellinsen 17, 19, 25, 29 bestimmt. Somit besteht die Möglichkeit, die Position des Fokuspunkts 23 in Abhängigkeit der Brennweiten f der einzelnen Sammellinsen 17, 19, 25, 29 zu ändern.
Durch die Verwendung von Retroreflektoren kann insgesamt die Messvorrichtung vor einem Versatz des Strahlengangs geschützt werden. Auch bei einer Änderung der Position oder der Aus- richtung eines Retroreflektors 20, 27, zum Beispiel durch eine Temperaturänderung oder eine Erschütterung, bleibt die Strahlführung aufgrund eines nur geringen Versatzes des
Lichtstrahls 11 stabil. Der Retroreflektor 27 reflektiert das einfallende Licht zurück auf die Sammellinse 29, die die Strahlen auf den Fokuspunkt 23 fokussiert. Auf diese Weise wird der Fokuspunkt 23 zwei Mal definiert von dem Lichtstrahl 11 durchlaufen, so dass sich die Intensität der Strahlung im Fokuspunkt 23 ver- doppelt. Auf diese Weise kann die Signalintensität der Raman- Strahlung erhöht werden.
Die Raman-Strahlung wird im Fokuspunkt 23 gestreut und trifft auf die Sammellinse 19 auf. Die Sammellinse 19, die innerhalb der Messzelle 3 zwischen dem Detektor 13 und dem Fokuspunkt 23 positioniert ist, parallelisiert das auftreffende Licht, woraufhin es durch ein Durchtrittsfenster 5 auf eine weitere als Sammellinse 31 ausgebildete optische Komponente trifft. Die fünfte Sammellinse 31 ist ebenso wie die Sammellinsen 17, 19 und der Retroreflektor 20 Teil der Abbildungsoptik 15 zur Sammlung der Streustrahlung. Im Unterschied zu den Sammellinsen 17, 19 ist die Sammellinse 31 außerhalb der Messzelle 3 angeordnet. In der Sammellinse 31 wird das Licht erneut gebündelt und auf den Detektor 13 fokussiert. Über die Sammellinsen 19, 31 ist die Fokussierung auf den Detektor 13 einstellbar. Der Detektor 13 ist vorlie- gend mit einem Bandpasssperrfilter ausgebildet, an den ein CCD-basierter Spektralanalysator angeschlossen ist. Durch einen derartigen Detektor kann der von der Lichtquelle 9 emittierte primäre Lichtstrahl 11 herausgefiltert werden. Im Anschluss wird die Strahlung mittels eines Gitters und eines Zeilen-CCD-Spektrometers spektral zerlegt, so dass aus dem Raman-Spektrum eine Aussage über die Zusammensetzung des Gases getroffen werden kann. Die zuvor beschriebenen einzelnen Komponenten des Detektors sind in FIG 1 nicht näher ge- kennzeichnet.
Allgemein kann der Abstand der Sammellinsen 17, 19, 25, 29 zu den Seitenwänden 7 der Messzelle 3 vor der ersten Verwendung der Vorrichtung bzw. vor einem Einbau in Strömungsrohr einer Gasturbine eingestellt werden, so dass er den gestellten Anforderungen entspricht. Vorteilhafterweise sind die Sammellinsen 17, 19, 25, 29 in einem möglichst kurzen Abstand zum Fokuspunkt 23, bzw. zum Messvolumen angeordnet. Durch eine derartige Positionierung der Sammellinsen 17, 19, 25, 29 be- steht die Möglichkeit, eine erhöhte mechanische Stabilität der Messvorrichtung 1 zu erreichen. Durch eine nahe Positionierung der Sammellinsen 17, 19, 25, 29 am Messvolumen lassen sich kurze optischen Wege innerhalb der Messzelle 3 erhalten. Hierdurch haben insbesondere turbulente Gasströmungen oder Verwirbelungen kaum einen Einfluss auf die Lage des Lichtstrahls 11. Die Sammellinsen 17, 19, 25, 29 haben verschiedene Brennweiten fi, f2, die geringer sind als der halbe Abstand zwischen den Seitenwänden 7 der Messzelle 3. Die Sammellinsen 17, 19 der Abbildungsoptik 15 haben die gleiche Brennweite fi, wäh- rend die Sammellinsen 25, 29 der Fokusoptik 21 die gleiche Brennweite f.2 haben. Durch die Brennweiten fi, f.2 der Sammellinsen 17, 19, 25, 29 wird die Position des Fokuspunkts 23 innerhalb der Messzelle bestimmt. In FIG 1 ist der Fokuspunkt 23 mittig innerhalb der Messzelle 3 positioniert. Insgesamt kann die Brennweite f einer jeden Sammellinse 17, 19, 25, 29 unterschiedlich sein, so dass auch eine Messvorrichtung mit einer Anzahl von Sammellinsen 17, 19, 25, 29 denkbar ist, bei der jede Sammellinse eine andere Brennweite f aufweist. Die Brennweiten fi, f2 der Sammellinsen 17, 19, 25, 29 können vor dem Einbringen in die Messvorrichtung 1, bzw. die Messzelle 3 entsprechend den Abmessungen einmalig ausgewählt werden. Hierbei muss der Abstand der Sammellinse 17, 19, 25, 29 vom Fokuspunkt 23 immer der Brennweite fi, t2 der jeweiligen Sammellinse 17, 19, 25, 29 entsprechen. Besonders bei kleinen Brennweiten f kann eine hohe Ausnutzung des Raumwinkels von inelastisch gestreuter Strahlung erreicht werden. Weiterhin ergeben sich hohe Winkel (> 90 °) zwischen den mehrfach reflektierten Strahlen.
Insgesamt bietet die Tatsache, dass die Sammellinsen 17, 19, 25, 29 innerhalb der Messzelle 3 und somit direkt im zu untersuchenden Fluid angeordnet sind, die Möglichkeit, ein Gas schnell und präzise zu analysieren und eine Verschmutzung der optischen Komponenten zu verhindern.
Anstelle des Retroreflektors 20 könnte die Messvorrichtung 1 an dieser Stelle auch mit einem weiteren Detektor ausgestattet sein.
Zwischen der Sammellinse 25 und der Lichtquelle 9 ist zusätzlich ein Absorber 35 positioniert. Der Absorber 35 ist als Absorberplatte ausgebildet und an der Stelle des Strahlen- gangs angeordnet, an dem der Strahl kontrolliert unterbrochen werden soll. Er ist mit einer absorbierenden Beschichtung versehen. Er dient als ein Strahlenfänger und absorbiert die auf ihn treffende Strahlung, so dass die Strahlung nicht mehr in die Messzelle 3 zurückgelangen kann.
FIG 2 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Messvorrichtung 41 zur Aufnahme eines Raman-Spektrums . Wie auch in FIG 1 um- fasst die Messvorrichtung 41 eine mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildete Messzelle 3 mit vier Durchtrittsfenster 5, die sich jeweils an den Seitenwänden 7 der Messzelle 3 befinden.
Sowohl die Lichtquelle 9 als auch der Detektor 13 und die Retroreflektoren 20, 27 sind außerhalb der Messzelle 3 positioniert. Die optischen Komponenten der Fokusoptik 15 und der Abbildungsoptik 19 sind als Sammellinsen 17, 19, 25, 29 ausgebildet und ebenfalls außerhalb der Messzelle 3 angeordnet. Im Unterschied zu FIG 1 ist in FIG 2 ein dritter als Retro- reflektor ausgebildeter Reflektor 43 bezüglich des Fokuspunktes 23 direkt gegenüber dem ersten Retroreflektor 27 positioniert. Auch dieser Retroreflektor 43 reflektiert das einfallende Licht durch die Sammellinse 25 zurück in den Fokuspunkt 23. Von dort wird der Lichtstrahl 11 ein weiteres Mal auf den gegenüberliegenden Retroreflektor 27 geleitet, so dass der Lichtstrahl 11 den Fokuspunkt 23 insgesamt vier Mal durchläuft. (Der Strahlengang ist analog zu FIG 1 mit Pfeilen gekennzeichnet.) Durch eine derartige Anordnung erhöhen sich die Lichtintensität und die Signalstärke der Raman-Streuung innerhalb der Messzelle 3, so dass ein besseres Messsignal erhalten werden kann.
Auch in der Messvorrichtung 41 gemäß FIG 2 ist ein Absorber 45 zwischen der Sammellinse 25 und der Lichtquelle 9 positioniert, der eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen aufweist, die in FIG 2 nicht kenntlich gemacht sind. An der Stelle des Strahlengangs, an dem der Lichtstrahl 11 kontrolliert unter- brochen werden soll, absorbiert der Absorber 43 die auf ihn treffende Strahlung. An den anderen Stellen sind Durchtrittsöffnungen eingebracht, die die Strahlung passieren lassen und entweder auf den Retroreflektor 43 leiten oder zurück in die Messzelle 3.
FIG 3 zeigt eine weitere Messvorrichtung 51, die der Ausgestaltung in FIG 2 entspricht. Die Sammellinsen 17, 19, 25, 29 der Abbildungsoptik 15 und der Fokusoptik 21 sind nun jedoch innerhalb der Messzelle 3 angeordnet. Zusätzlich weist die
Messvorrichtung gemäß der FIG 3 drei Retroreflektoren 20, 27, 43 auf, die den von der Lichtquelle 9 emittierten Lichtstrahls 9 viermal durch den Fokuspunkt 23 leiten und somit die Signalintensität der Streuung des zu untersuchenden Gases erhöhen.
Die Messvorrichtung 51 bietet aufgrund der Anordnung der optischen Komponenten innerhalb der Messzelle 3 und der Verwendung von drei Retroreflektoren die Möglichkeit, eine Inline- Raman-Messung mit einer hohen Intensität der Strahlung innerhalb des Fokuspunkts 23 durchzuführen.
FIG 4 zeigt einen Teil einer Messzelle 3 mit zwei Lichtquellen 61, 63, die jeweils einen Lichtstrahl 65, 67 emittieren. Die Lichtstrahlen 65, 67 verlaufen kollinear und werden über das Durchtrittsfenster 5 in die Messzelle 3 eingekoppelt. Die Lichtquellen 61, 63 weisen die gleichen Abstände Xi, X2 von der optischen Achse 68 auf. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, dass die Lichtquellen 61, 63 nicht symmetrisch um die optische Achse 68 angeordnet sind, also dass die Abstände xi und X2 unterschiedlich groß sind. Unabhängig von den Abständen X1, x2 der Lichtquellen von einer optischen Achse werden die emittierten Licht- strahlen in einen gemeinsamen Fokuspunkt 71 fokussiert.
In der hinter dem Durchtrittsfenster 5 positionierten Sammellinse 69 werden die Lichtstrahlen 65, 67 gesammelt und auf einen gemeinsamen Fokuspunkt 71 fokussiert. Durch die Redundanz der Lichtstrahlen 65, 67 lässt sich beispielsweise die Intensität der Strahlung im Fokuspunkt 71 erhöhen, und damit ein verstärktes Raman-Signal erhalten. Weiterhin kann eine Messvorrichtung auch bei einem Ausfall einer der beiden
Lichtquellen 61, 63 noch betrieben werden. Insgesamt ist auch die Verwendung von mehr als zwei Lichtquellen denkbar.
Mit anderen Worten bietet eine Messvorrichtung 1, 41, 51, wie sie in einer der FIG 1 bis 4 beschrieben ist, eine sichere und leicht zu handhabende Möglichkeit, die Brenngaszusammensetzung eines Gasgemisches durch die kontrollierte Reflektion und Absorption eines Analyselichtstrahls innerhalb eines Messvolumens zu bestimmen. Sowohl jedes einzelne System als auch insbesondere die Kombination einer Anzahl von Reflektoren mit einer innerhalb eines Messvolumens angeordneten Optik und die zusätzliche Verwendung mehrerer Strahlenquellen bietet eine hervorragende Möglichkeit zur Untersuchung einer GasZusammensetzung.

Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung (1, 41, 51) zur Aufnahme eines Raman- Spektrums, umfassend eine Messzelle (3) , die eine Anzahl von Durchtrittsfenstern (5) aufweist, eine außerhalb der Messzelle angeordnete Lichtquelle (9, 61, 63), einen Detektor (13), der in einem Winkel α zur Lichtquelle (9, 61, 63) angeordnet ist und eine Fokusoptik (21) zur Abbildung der Lichtquelle (9, 61, 63) in einen Fokuspunkt (23, 71), dadurch gekennzeichnet, dass
eine Abbildungsoptik (15) zur Abbildung von Streustrahlung auf den Detektor (13) umfasst ist, und dass zumindest eine optische Komponente der Abbildungsoptik (15) zwischen dem Detektor (13) und dem Fokuspunkt (23, 71) angeordnet ist, welche als erste Sammellinse (19) ausgebildet innerhalb der
Messzelle (3) angeordnet ist
und
die Fokusoptik (21) innerhalb der Messzelle (3) angeordnet ist und zur Abbildung der Lichtquelle (9, 61, 63) im
Fokuspunkt (23, 71) eine innerhalb der Messzelle (3) angeordnete zweite Sammellinse (25) umfasst, die zwischen der Lichtquelle (9, 61, 63) und dem Fokuspunkt (23, 71) positioniert ist.
2. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Seitenwände (7) der Messzelle (3) bezüglich der durch die Lichtquelle (9, 61, 63), den Detektor (13) und den Fokuspunkt (23, 71) definierten Ebene einen Abstand a in einem Bereich zwischen 200 mm und 1000 mm aufweisen.
3. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennweite f der innerhalb der Messzelle (3) angeordneten Sammellinsen (17, 19, 25, 29) kleiner ist, als der halbe Abstand a zwischen den Seitenwänden (7) der Messzelle (3) .
4. Messvorrichtung (l)nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Messzelle (3) von einem Fluid durchströmbar ist.
5. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Winkel α zwischen dem Detektor (13) und der Lichtquelle (9, 61, 63) in einem Bereich zwischen 60° und 120°, insbesondere in einem Bereich zwischen 80° und 100°, liegt.
6. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Reflektor (27) bezüglich des Fokuspunkts (21) gegenüber der Lichtquelle (9, 61, 63) positioniert ist, und dass zwischen dem ersten Reflektor (27) und dem Fokuspunkt (23, 71) eine dritte Sammellinse (29) innerhalb der Mess- zelle (3) angeordnet ist.
7. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Reflektor (20) bezüglich des Fokuspunkts (23, 61) gegenüber dem Detektor (13) positioniert ist, und dass zwischen dem zweiten Reflektor (20) und dem Fokuspunkt (23, 71) eine vierte Sammellinse (17) innerhalb der Messzelle (3) angeordnet ist.
8. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein dritter Reflektor (43) bezüglich des Fokuspunkts (23, 61) gegenüber dem ersten Reflektor (27) positioniert ist.
9. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Reflektor (27) und/oder der zweite Reflektor (20) und/oder der dritte Reflektor (43) als ein Retroreflektor ausgebildet sind.
10. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von Lichtquellen (9, 51, 53) umfasst ist, die jeweils über ein Durchtrittsfenster (5) in die Messzelle (3) eingekoppelt sind und die mittels der Fokusoptik (21) im Fokuspunkt (23, 71) fokussiert sind.
11. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Absorber (35, 45) umfasst ist, welcher in Kombination mit einem oder jedem (27, 20, 41) zur Absorption des lateral versetzten Lichtstrahls (11, 65, 67) dient.
12. Messvorrichtung (1, 41, 51) zur Aufnahme eines Raman- Spektrums, umfassend eine Messzelle (3) , die eine Anzahl von Durchtrittsfenstern (5) aufweist, eine außerhalb der Messzelle (3) angeordnete Lichtquelle (9, 61, 63), einen Detektor (13), der in einem Winkel α zur Lichtquelle (9, 61, 63) angeordnet ist, eine Fokusoptik (21) zur Abbildung der Lichtquelle (9, 61, 63) in einen Fokuspunkt (23,
71), und einen ersten Reflektor (27), der bezüglich des Fokuspunkts (23, 61) gegenüber der Lichtquelle (9, 61, 63) positioniert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Reflektor (27) als ein Retroreflektor ausgebildet ist .
13. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Abbildungsoptik (15) zur Abbildung von Streustrahlung auf den Detektor (13) umfasst ist, und dass zumindest eine optische Komponente der Abbildungsoptik (15) zwischen dem Detektor (13) und dem Fokuspunkt (23, 71) angeordnet ist.
14. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optische Komponente eine erste Sammellinse (19) ist.
15. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fokusoptik (21) zur Abbildung der Lichtquelle (9, 61, 63) im Fokuspunkt (23) eine zweite Sammellinse (25) umfasst, die zwischen der Lichtquelle (9, 61, 63) und dem Fokuspunkt (23) angeordnet ist.
16. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem ersten Reflektor (27) und dem Fokuspunkt (23,
71) eine dritte Sammellinse (29) angeordnet ist.
17. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Sammellinse (19) innerhalb der Messzelle (3) an- geordnet ist.
18. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dritte Sammellinse (29) innerhalb der Messzelle (3) angeordnet ist.
19. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusoptik (21) innerhalb der Messzelle (3) angeordnet ist.
20. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Seitenwände (7) der Messzelle (3) bezüglich der durch die Lichtquelle (9, 61, 63), den Detektor (13) und den
Fokuspunkt (23, 71) definierten Ebene einen Abstand a in einem Bereich zwischen 200 mm und 1000 mm aufweisen.
21. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite f der innerhalb der Messzelle (3) angeordneten Sammellinsen (17, 19, 25, 29) kleiner ist, als der halbe Abstand a zwischen den
Seitenwänden (7) der Messzelle (3).
22. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Messzelle (3) von einem Fluid durchströmbar ist.
23. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Winkel α zwischen dem Detektor (13) und der Lichtquelle
(9, 61, 63) in einem Bereich zwischen 60° und 120°, insbe- sondere in einem Bereich zwischen 80° und 100°, liegt.
24. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Reflektor (20) bezüglich des Fokuspunkts (23, 61) gegenüber dem Detektor (13) positioniert ist, und dass zwischen dem zweiten Reflektor (20) und dem Fokuspunkt (23, 71) eine vierte Sammellinse (17) angeordnet ist.
25. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein dritter Reflektor (43) bezüglich des Fokuspunkts (23, 71) gegenüber dem ersten Reflektor (27) positioniert ist.
26. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 23 oder 25,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Reflektor (20) und/oder der dritte Reflektor (43) als ein Retroreflektor ausgebildet sind.
27. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von Lichtquellen (9, 51, 53) umfasst ist, die jeweils über ein Durchtrittsfenster (5) in die Messzelle (3) eingekoppelt sind und die mittels der Fokusoptik (21) im Fokuspunkt (23, 71) fokussiert sind.
28. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 12 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Absorber (35, 45) umfasst ist, welcher in Kombination mit einem oder jedem Reflektor (27, 20, 43) zur Absorption des lateral versetzten Lichtstrahls (11, 65, 67) dient
29. Messvorrichtung (1, 41, 51) zur Aufnahme eines Raman- Spektrums, umfassend eine Messzelle (3), die eine Anzahl von Durchtrittsfenstern (5) aufweist, wenigstens eine außerhalb der Messzelle (3) angeordnete Lichtquelle (9, 61, 63), einen Detektor (13), der in einem Winkel α zur Lichtquelle (9, 61, 63) angeordnet ist und eine Fokusoptik (21) zur Abbildung der Lichtquelle (9, 61, 63) in einen Fokuspunkt (23, 71),
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Lichtquellen (9, 51, 53) über ein Durchtrittsfens- ter (5) in die Messzelle (3) eingekoppelt sind, die mittels der Fokusoptik (21) in einem gemeinsamen Fokuspunkt (23, 71) fokussiert sind.
30. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Abbildungsoptik (15) zur Abbildung von Streustrahlung auf den Detektor (13) umfasst ist, und
dass zumindest eine optische Komponente der Abbildungsoptik (15) zwischen dem Detektor (13) und dem Fokuspunkt (23, 71) angeordnet ist.
31. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach Anspruch 30,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optische Komponente eine erste Sammellinse (19) ist.
32. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 29 bis 31,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fokusoptik (21) zur Abbildung der Lichtquelle (9, 61,
63) im Fokuspunkt (23, 71) eine zweite Sammellinse (25) umfasst, die zwischen der Lichtquelle (9, 61, 63) und dem Fokuspunkt (23, 71) angeordnet ist.
33. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 29 bis 32,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Reflektor (27) bezüglich des Fokuspunkts (23, 61) gegenüber der Lichtquelle (9, 61, 63) positioniert ist, und
dass zwischen dem ersten Reflektor (27) und dem Fokuspunkt (23, 71) eine dritte Sammellinse (29) angeordnet ist.
34. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 34 bis 33,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Sammellinse (19) innerhalb der Messzelle (3) an- geordnet ist.
35. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 36 oder 34,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dritte Sammellinse (19) innerhalb der Messzelle (3) angeordnet ist.
36. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 29 bis 35,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fokusoptik (21) innerhalb der Messzelle (3) angeordnet ist .
37. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 29 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Seitenwände (7) der Messzelle (3) bezüglich der durch die Lichtquelle (9, 61, 63), den Detektor (13) und den Fokuspunkt (23, 71) definierten Ebene einen Abstand a in einem Bereich zwischen 200 mm und 1000 mm aufweisen.
38. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach Anspruch 37,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennweite f der innerhalb der Messzelle angeordneten Sammellinsen (17, 19, 25, 29) kleiner sind, als der halbe Abstand a zwischen den Seitenwänden (7) der Messzelle (3) .
39. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 29 dadurch gekennzeichnet, dass
die Messzelle (3) von einem Fluid durchströmbar ist.
40. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 29 bis 39,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Winkel α zwischen dem Detektor (13) und der Lichtquelle (9, 61, 63) in einem Bereich zwischen 60° und 120°, insbesondere in einem Bereich zwischen 80° und 100°, liegt.
41. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 29 bis 40,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Reflektor (20) bezüglich des Fokuspunkts gegen- über dem Detektor (13) positioniert ist, und
dass zwischen dem zweiten Reflektor (20) und dem Fokuspunkt (23, 71) eine vierte Sammellinse (17) angeordnet ist.
42. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 40 und 41,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein dritter Reflektor (43) bezüglich des Fokuspunkts (23, 61) gegenüber dem ersten Reflektor (27) positioniert ist.
43. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 39 bis 42,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Reflektor (27) und/oder der zweite Reflektor (20 ^ und/oder der dritte Reflektor (43) als ein Retroreflektor ausgebildet sind.
44. Messvorrichtung (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 29 bis 43,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Absorber (35, 45) umfasst ist, welcher in Kombination mit einem oder jedem Reflektor (27, 20, 41) zur Absorption des lateral versetzten Lichtstrahls (11, 65, 67) dient.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104198461A (zh) * 2014-09-10 2014-12-10 宁波海恩光电仪器有限责任公司 基于拉曼效应的工业过程气体分析仪

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH469249A (de) 1964-10-28 1969-02-28 Perkin Elmer Corp Raman-spektrometer
US4953976A (en) 1989-03-20 1990-09-04 Spectral Sciences, Inc. Gas species monitor system

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4127329A (en) * 1976-12-21 1978-11-28 Northeast Utilities Service Company Raman scattering system and method for aerosol monitoring
WO1994024545A1 (en) * 1993-04-15 1994-10-27 Board Of Regents, The University Of Texas System Raman spectrometer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH469249A (de) 1964-10-28 1969-02-28 Perkin Elmer Corp Raman-spektrometer
US4953976A (en) 1989-03-20 1990-09-04 Spectral Sciences, Inc. Gas species monitor system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
THOMAS SEEGER; JOHANNES KIEFER; ALFRED LEIPERTZ: "Entwicklung eines laserbasierten Sensorsystems zur Gasanalyse", GAS-ERDGAS, vol. 148, no. 10, 2007, pages 548 - 553

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104198461A (zh) * 2014-09-10 2014-12-10 宁波海恩光电仪器有限责任公司 基于拉曼效应的工业过程气体分析仪

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