WO2017125214A1 - Vorrichtung und verfahren zum vorbereiten einer analyse von in einem fluid gelöstem gas und analysesystem zur analyse von in einem fluid gelöstem gas - Google Patents
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/26—Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
- G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
- G01N33/2835—Specific substances contained in the oils or fuels
- G01N33/2841—Gas in oils, e.g. hydrogen in insulating oils
Definitions
- the present invention relates to an apparatus and a method for preparing an analysis of gas dissolved in a fluid and to a correspondingly designed analysis system for the analysis of gas dissolved in a fluid.
- Analyzes of fluids for their liquid and / or gaseous constituents are known to have a wide range of applications, such as disposal (phenols in sewage sludge), forensics (screening of paint chips, alcohol in blood), environmental analysis (loading of leaves or needles , Benzene-toluene-ethylbenzene xylene from soil), pollutant analysis (residual monomer and solvent content in industrial polymers, paints, plastics, building materials, interior load from carpet or upholstery samples), the automotive sector (evaporation of plastics in car interiors), pharmaceutical analysis ( Residual solvent in pharmaceutical products) or for the mere determination or control of a fluid composition (eg aroma components in foods, fragrance components for perfumes and cosmetics).
- disposal phenols in sewage sludge
- forensics screening of paint chips, alcohol in blood
- environmental analysis loading of leaves or needles , Benzene-toluene-ethylbenzene xylene from soil
- Another field of application is the maintenance of technical equipment in which special fluids are used.
- resources in the power supply such as power transformers, transducers, high voltage cables, feedthroughs or switches, may be filled with insulating oils, which in particular ensure the dielectric strength of the equipment.
- Such resources are usually high quality and are therefore proactively maintained to ensure continued operational readiness.
- Excessive use of equipment due to overload, partial overheating or chemical decomposition can reduce the insulating capacity of the equipment and the operational safety.
- such stresses also go hand in hand with the development of various fission gases which dissolve in the insulating oil and can be determined by means of gas-in-oil ("Dissolved Gas Analysis", DGA) analyzes. Certain gas patterns even allow the conclusion to certain stresses. In principle, this allows conclusions to be drawn regarding the insulating capacity of the equipment and the condition of the insulating oil, and continuous monitoring on this basis can detect imminent failures of the relevant operating means in good time.
- DGA Dissolved Gas Analysis
- gas-in-oil analysis In the course of gas-in-oil analysis, an oil sample is taken, the gas dissolved in it is at least partially extracted and analyzed for the type and concentration of gas constituents. This analysis is also possible on site with portable analysis devices for mobile gas-in-oil analysis or as permanently installed process monitoring variant (online DGA offline DGA).
- WO 2007/1 15807 A8 An example of a device for online DGA is disclosed in WO 2007/1 15807 A8 and combines a headspace method for gas extraction with a photoacoustic infrared spectroscopy for gas analysis.
- Another exemplary device for offline or online DGA is described in US 6,391,096 B1. Therein a membrane-based gas extraction and a gas detection by means of heat conductivity detector is disclosed. With otherwise identical features, US 8,075,675 B2 refers generally to gas chromatography in gas detection.
- US Pat. No. 6,365,105 B1 discloses an online DGA based on the headspace method and a heat conductance-based gas analysis.
- US 2014/0053626 A1 discloses a device for online DGA with membrane-based gas extraction and a very general gas detection.
- WO 2013/076618 A1 proposes combining a membrane-based gas extraction with a general gas concentration sensor.
- DE 10 252 652 A1 discloses a multi-period vacuum extraction in combination with a very general gas chromatography.
- CN 1645107 A and CN 100351624 C collectively disclose a headspace method in conjunction with Raman spectroscopic gas detection.
- CN 104165880 A is a Membrane-based gas extraction with a Raman spectroscopic gas detection disclosed.
- US 8,383,855 B2 proposes to carry out a gas-in-liquid analysis by means of spectroscopic gas detection, which in turn is based on a multi-pass optical cell.
- the prior art provides gasin oil mobile analysis devices in which a particular size of the device is determined by its component parts. Accordingly, a large number of individual parts leads to corresponding dimensions, which is particularly disadvantageous for the intended mobile application. Furthermore, in each case only the gas components of the fluid to be examined can be determined, not the fluid in the fluid. In addition, each n a specific method for degassing of the fluid is supported.
- An apparatus for preparing an analysis of dissolved gas in a fluid comprises a pump having a housing for conveying the fluid. Inside the housing, a sample space is formed for degassing the fluid in order to extract gas dissolved in the fluid in the sample space.
- the pump is adapted to carry out the degassing of the fluid in the sample space, ie the degassing takes place directly in the sample space of the pump.
- the pump further comprises a reactor which is adapted to cause a physical interaction in dependence on the extracted gas. Due to the sample space formed in the interior of the housing, the space requirement of an externally formed pump is eliminated. This results in a more compact design of the device. In addition, only a very small amount of sample of gas (for example ⁇ 10 ml) or liquid (for example ⁇ 30 ml) is required for analysis.
- the superordinate term fluid refers in particular to gases and liquids.
- a pressure-proof bounded space for receiving a fluid sample, which is to be subjected to an analysis is understood as the sample space.
- an analysis is an investigation to determine constituent components of a compound substance, such as a composition of a gas dissolved in the fluid sample.
- Degassing is understood here to mean a controlled removal of volatile substances, in particular gases, from the fluid sample. Degassing may include a process selected from the group consisting of monoperiod vacuum extraction, multi-period vacuum extraction, and headspace techniques.
- the fluid sample is repeatedly exposed to a defined negative pressure (in the minute range), so that a partial degassing of the sample takes place.
- the aim is to dissolve as much dissolved gas as possible from several samples of the fluid.
- the several samples are successively exposed in each case several times to a defined negative pressure, which corresponds to a series of monoperiodic vacuum extractions with a respective new sample.
- the fluid sample is in contact with a vapor space above the fluid sample ("headspace") Gas dissolved in the fluid sample will go into the vapor space under equilibrium conditions of temperature, pressure and vibration.
- the pump may be selected from the group consisting of piston pump and diaphragm pump.
- Such pumps are simple and have a low tendency to drop.
- a volume of the sample space can be changed by raising or lowering a piston of the pump.
- the pump may comprise an actuator selected from the group consisting of stirrer and sonotrode.
- Sonotrodes are understood in particular to be tools which are set in resonance by induced high-frequency mechanical vibrations (ultrasound) and thus fulfill a processing task.
- the reactor may be configured to cause a spectral change of radiation depending on the extracted gas.
- the radiation may be subject to absorption or scattering by a number of constituents of the extracted gas.
- the reactor may be configured to induce Raman scattering of incident laser radiation in response to the extracted gas.
- Raman scattering refers to an inelastic scattering of light of a particular frequency due to inelastic collisions between photons and molecules.
- parts of the incident light are scattered.
- the scattered light has in particular higher and lower frequencies than the radiated frequency.
- This so-called Raman emission allows in particular a conclusion on the type and concentration of the interacting molecules.
- the Raman scattering is caused by monochromatic light, such as laser light, since the higher and lower frequencies of the resulting Raman emission are easily determinable relative to the incident frequency.
- the reactor may comprise a multi-pass optical measurement cell to effect Raman scattering of the incident laser radiation in response to the extracted gas.
- An optical multi-pass measuring cell provides a local increase in the laser power density in a small volume.
- the cell comprises mutually opposing and coordinated focusing mirrors which repeatedly throw an incident light beam back and forth.
- the light scattered in the focal plane of the mirrors is collected perpendicular to the focusing mirrors by means of collimating optics and guided to a detector. Since the focusing of the laser light enhances the scattering process, the Raman effect becomes more sensitive to a concentration of interacting molecules.
- Multi-pass optical measuring cells can be used to analyze gaseous constituents of the fluid as well as liquid constituents of the fluid. Particularly suitable for the analysis of gases are optical multi-pass measuring cells with cell volumes ⁇ 2 ml. The measurement of the gas can be carried out in the flow or at elevated pressure.
- the reactor may comprise a further optical multi-pass measuring cell to cause Raman scattering of further incident laser radiation in response to a liquid in the fluid.
- the further optical multi-pass measuring cell can also bring about an interaction of liquid constituents of the fluid with irradiated light, optionally also simultaneously with that of the gaseous constituents. For example, this may determine the major components of the chemical structure of the liquid.
- the fluid is an oil
- information such as oil quality, aging, breaking of CH chains, aging indicator 2-Fal (furan), oxidation, acids, corrosive sulfur, benzene, impurities such as polychlorinated biphenyls ( PCB), paper particles in the oil (via fluorescence) and oil composition, in particular with regard to inhibitor content and oxidation stability, accessible.
- PCB polychlorinated biphenyls
- optical multi-pass measuring cells are suitable which receive a liquid volume ⁇ 2 ml.
- the measurement on a liquid can also be carried out in the flow.
- the pump may be configured to change a volume of the sample space for conveying the fluid.
- the pump may be configured to increase the volume of the sample space to degas the fluid so that a defined negative pressure is created.
- the pump may also be configured to change the gas pressure in the multipass cell.
- the already existing pump can therefore also be used for degassing, without increasing the space requirement of the device. This adds to a compact, space-saving design of the device.
- a suitable for degassing pump preferably has a trained through the housing and the piston with actuator sample space whose volume comprises a maximum of ten to twenty times the volume of the fluid to be degassed.
- the pump is designed such that in the sample chamber, a negative pressure ⁇ 0.001 mbar can be realized.
- the sample space preferably has a leak rate QL ⁇ 5-10 "6 mbar l / s.
- the device may further comprise a fluid connection for conveying the fluid between the pump on the one hand and a fluid inlet, a fluid outlet and / or the reactor of the device on the other hand, which can be switched by means of controllable valves.
- the fluid inlet and the fluid outlet are external fluid interfaces of the device to an environment thereof.
- the apparatus may be configured to prepare an analysis of gas dissolved in an oil.
- the device may be designed to be portable, so that it is preferably suitable for mobile diagnostics in addition to a fixed installation.
- the device may also be configured for fixed installation on an item of equipment to be analyzed, in particular a power supply or energy supply equipment, such as a power transformer, a transducer, a high voltage cable, a high voltage feedthrough or a high voltage switch, thus providing on site a To allow testing of the respective equipment.
- a power supply or energy supply equipment such as a power transformer, a transducer, a high voltage cable, a high voltage feedthrough or a high voltage switch, thus providing on site a To allow testing of the respective equipment.
- An analysis system for analyzing gas dissolved in a fluid comprises a device for preparing the analysis of the gas dissolved in the fluid, and an analyzer for performing the analysis of the gas dissolved in the fluid.
- the analysis system makes it possible to determine the composition of the fluid with respect to both the dissolved gas and the fluid in the fluid.
- the analysis system can be designed to analyze gas dissolved in an oil of an oil-insulated high-voltage operating medium, for example a transformer etc., in order to be able to conclude the state of the operating medium based on the composition of the gas.
- This application is also referred to as gas-in-oil analysis or dissolved gas analysis (DGA).
- DGA dissolved gas analysis
- the present invention is not limited to this preferred application, but may be used in principle for other analysis applications in which gas is to be extracted from a fluid for analysis.
- a method for preparing an analysis of dissolved gas in a fluid comprises conveying the fluid by means of a pump, degassing the fluid in a sample space of the pump, wherein the gas dissolved in the fluid is extracted, and causing a physical interaction depending on the extracted gas.
- the method is advantageously non-invasive, i. the resource may remain active during the performance of the process in the value-added process. Otherwise, the advantages of the method according to the invention correspond to the advantages of the device according to the invention, which have been carried out in detail in advance, so that a repetition is dispensed with here.
- the method may be performed with the apparatus for preparing an analysis of gas dissolved in a fluid according to the above-described embodiments.
- FIG. 1 shows a schematic block diagram of a device according to an embodiment of the invention.
- FIG. 2 shows a schematic block diagram of an analysis system according to one exemplary embodiment.
- FIG. 3 shows method steps of a method according to an exemplary embodiment.
- Fig. 1 shows a schematic block diagram of a device 10 according to an embodiment of the invention.
- the device 10 accordingly comprises a pump 20 and a reactor 30.
- the pump 20 serves to convey a fluid, in particular oil, and has a housing 21. Inside the housing 21 of the pump 20, a sample chamber 22 is formed for degassing the fluid.
- the pump is designed such that it can extract a gas dissolved in the fluid in the sample space 22, i. the pump 20 and the sample chamber 22 are components of a degassing device integrated in the pump.
- the pump 20 is designed as a piston pump with a piston 23.
- the piston 23 is continuously adjustable between an extended position in which a volume of the sample space 22 is minimal, and a retracted position in which the volume of the sample space 22 is maximum adjustable.
- the variable volume of the sample space 22 enables a conveying and degassing of the fluid as well as a pressure change in the measuring space 43.
- the piston 23 and the actuator 25 are adapted to the shape of the housing 21 so that the volume of the sample chamber 22 disappears in the extended position of the piston 23.
- the pump 20 is configured to perform the degassing of the fluid in the sample space 22.
- Degassing can be accomplished in one of several ways, namely, by monoperiod vacuum extraction, multi-period vacuum extraction, or by a headspace method. These variants differ from one another in the type and frequency of the control of the piston 23 by the drive 24.
- the reactor 30 of the device 10 in particular Raman scattering of an incident laser radiation in dependence on the extracted gas can be brought about.
- the reactor 30 comprises an optical multi-pass measuring cell 31 connected downstream of the pump 20. This increases the available laser power density in the focal plane of the collection optics such that the Raman scattering has a high sensitivity to a concentration of the extracted gas.
- Raman scattering of a further incident laser radiation as a function of a liquid in the fluid can be brought about with the reactor 30. This is done by means of a further optical multi-pass measuring cell 32, which is connected upstream of the pump 20 and through which the pump 20 promotes the fluid from a fluid inlet inlet 41 of the device 10 into the sample chamber 22 of the pump 20.
- the apparatus 10 further comprises a fluid connection 43 extending between the fluid inlet 41 and a fluid outlet 42 for conveying the fluid to and from the pump 20 having fluid conduits 43 which are connectable in various ways by means of controllable valves 44-1 to 44-4 ,
- a fluid sample available at the fluid inlet 41 can pass through the further optical multi-pass measuring cell 32 through the sample chamber.
- Spaces 22 of the pump 20 are supplied, or a gas analyzed in the optical multi-pass measuring cell 31 are discharged into the sample chamber 22.
- the gas extracted from the fluid may be supplied to the multi-pass optical measuring cell 31, or generally, the contents of the sample space 22 may be discharged to the fluid outlet 42.
- the device 10 comprises a control device 50, which is set up to control the drive 24, the actuator 25 and the valves 44 in a coordinated manner. As a result, if necessary, a defined switching of the measuring space 43 between see
- sample chamber 22 is pressure-tight sealable.
- control device 50 can actuate the drive 24 such that the piston 23 assumes a defined position between the extended position and the retracted position.
- a pressure change in the sample space can be brought about.
- a negative pressure may be used to aspirate a substance, such as a fluid sample, into the sample space 22 or to degas the fluid in the sample space 22.
- An overpressure can be used for discharging substances from the sample space 22.
- a pressure adjustment in the measuring cell 43 with the position of the piston 23 is possible.
- FIG. 2 shows a schematic block diagram of an analysis system 60 according to an exemplary embodiment.
- the apparatus 10 serves to prepare the analysis of the gas dissolved in the fluid.
- the gas dissolved in the fluid is extracted and supplied to the optical multi-pass cell 31.
- the analysis device 70 the analysis of the gas dissolved in the fluid is carried out as a continuation of this. This comprises first of all generating a laser radiation and passing it through the optical multi-pass cell 31 of the device 10 in order to allow the gas extracted from the fluid to interact with the laser radiation.
- the analysis device 70 is set up to create a radiation spectrum resulting from the interaction and to automatically compare it with a number of reference spectra of known gases or statistical methods in order to determine a composition of the extracted gas.
- the analysis system 60 can be used, for example, for the analysis of faulty gases which are dissolved in an oil of an oil-insulated high-voltage operating medium.
- the analysis device 70 may comprise, for example, a laser light source and a spectrometer.
- FIG. 3 shows method steps 81 - 83 of a method 80 for analyzing gas dissolved in a fluid according to an exemplary embodiment.
- the fluid is conveyed by the pump 20. This is preceded by an evacuation of the reactor 30 by the pump 20 first.
- the two valves 44-1 mounted on the optical multi-pass cell 31 are opened in order to establish a fluid connection between the surroundings of the device 10 or measuring space 43 and the sample space 22, and the other two valves 44-2, 44-4 are closed.
- the piston 23 is moved at least as far in the direction of its retracted position (ie, in Fig.
- valve 44-1 is closed again and instead the valve 44-2 is opened to establish fluid communication between the sample space 22 and the fluid outlet 42.
- the piston 23 is then brought into its extended position, whereby a discharge of the entire contents of the sample chamber 22 via the fluid outlet 42 takes place. This process can be repeated several times to achieve the required vacuum pressure.
- the valve 44-2 is closed again and the valve 44-4 is opened in order to now provide a fluid connection extending from the fluid inlet 41 to the sample space 22.
- the piston 23 is then, again starting from its extended position, moved so far in the direction of its retracted position that the sample space 22 fills with a defined sample volume of the fluid.
- the piston 23 assumes a filling position.
- step 83-1 a physical interaction depending on the fluid with the multi-pass cell 32 may be effected.
- step 82 the fluid in the pump 20 is degassed, for example according to one of the following methods. a) Monoperiodic vacuum extraction (degassing of a single fluid sample by vacuum)
- Each of the valves 44-1-44-4 is closed when it is open. Subsequently, the piston 23 is moved beyond the filling position so far in the direction of its retracted position until a defined vacuum-like negative pressure ( ⁇ 0.001 mbar) results in the sample chamber 22.
- sonotrode 25 can be used to inject ultrasonic vibrations into the fluid in order to improve the degassing of the fluid taking place in the meantime.
- valve 44-1 is opened and the piston 23 is returned to its filling position to connect a fluid connection 43 between the sample chamber 22 and the optical multi-pass cell 31, with which the extracted gas by pressure equalization in the optical multi-pass cell 31 passes.
- the pressure of the extracted gas is measured in the sample space 22 and then the valve 44-1 is closed.
- the sample space 22 before each new fluid sample, the sample space 22 to be evacuated to the fluid outlet 42 to make room for the new fluid sample.
- the valve 44-1 first the valve 44-1 to close again and the piston 23 successively first to its retracted position and then to its filling position.
- the valve 44-2 is to be opened in order to connect a fluid connection 43 from the sample space 22 to the fluid outlet 42.
- the sample space 22 is then completely deflated by lifting the piston 23 to its extended position.
- Headspace method one-time degassing of a fluid sample by vapor pressure
- valves 44-1 - 44-4 are to be closed initially, provided that they are open.
- the piston 23 lowers only slightly, and it is already before degassing a fluid connection 43 between the Sample chamber 22 and the optical multi-pass cell 31 made via the valve 44-1.
- the piston 23 After the defined period of time, the piston 23 is returned to its filling position, the pressure of the extracted gas in the sample space 22 is measured and the valve 44-1 is closed.
- step 83-2 a physical interaction is induced in response to the extracted gas.
- a laser radiation which interacts with the extracted gas in the sense of Raman scattering can be supplied to the optical multi-pass cell 31.
- the further optical multi-pass cell 32 in which the fluid is still located, can be supplied with laser radiation which is subject to Raman scattering by the fluid of the fluid.
- the resulting Raman emission is analyzable to what constituents the gas extracted from the fluid is composed of. This can be done automatically by comparing the spectrum of the scattered laser radiation with a number of reference spectra of known gases or with a statistical method, for which purpose, for example, the analysis device 50 of the analysis system 60 is set up.
- both the reactor 30 and the sample space 22 are to be evacuated to the fluid outlet 42.
- valves 44-1, 44-3 are opened in order to connect a fluid connection 43 between the surroundings of the device 10 and the sample space 22, while the other two valves 44-2, 44-4 are closed or stay.
- the piston 23 is moved at least as far in the direction of its retracted position until the entire volume of the optical multi-pass cell 31 is emptied into the sample chamber 22.
- the valve 44-1 is closed again and the valve 44-2 is opened to establish a fluid connection 43 from the sample space 22 to the fluid outlet 42.
- the piston 23 is then brought into its extended position, so that the entire volume of the sample chamber 22 is discharged via the fluid outlet 42.
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Abstract
Eine Vorrichtung (10) zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas umfasst eine Pumpe (20) mit einem Gehäuse (21) zum Fördern des Fluids, wobei im Inneren des Gehäuses (21) ein Probenraum (22) zum Entgasen des Fluids ausgebildet ist, um in dem Fluid gelöstes Gas in dem Probenraum (22) zu extrahieren, wobei die Pumpe (20) dazu eingerichtet ist, das Entgasen des Fluids in dem Probenraum (22) durchzuführen,und einen Reaktor (30),welcher dazu eingerichtet ist, eine physikalische Wechselwirkung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas herbeizuführen.
Description
Vorrichtung und Verfahren zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas und Analysesystem zur Analyse von
in einem Fluid gelöstem Gas
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas sowie ein entsprechend ausgestaltetes Analysesystem zur Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Analysen von Fluiden hinsichtlich ihrer flüssigen und/oder gasförmigen Bestandteile besitzen bekanntermaßen ein breites Anwendungsspektrum, etwa in der Entsorgung (Phenole in Klärschlamm), der Forensik (Screening von Lacksplittern, Alkohol in Blut), der Umweltanalytik (Belastung von Blättern oder Nadeln, Benzol-Toluol-Ethylbenzol- Xylol aus Boden), der Schadstoffanalytik (Restmonomer- und Lösungsmittelgehalte in industriellen Polymeren, Farben, Kunststoffen, Baustoffen; Innenraumbelastung aus Teppich- oder Polsterproben), dem Automobilbereich (Ausdünstung von Kunststoffen in Autoinnenräumen), der Pharmaanalytik (Restlösemittel in pharmazeutischen Produkten) oder auch zur bloßen Bestimmung oder Kontrolle einer Fluidzusammenset- zung (z.B. Aromakomponenten in Lebensmitteln, Duftkomponenten für Parfüms und Kosmetika).
Ein weiteres Anwendungsfeld besteht in der Wartung technischer Betriebsmittel, in welchen spezielle Fluide zum Einsatz kommen. Beispielsweise können Betriebsmittel in der Energieversorgung, wie etwa Leistungtransformatoren, Messwandler, Hoch- spannungskabel, -durchführungen oder -Schalter, mit Isolierölen befüllt sein, welche insbesondere die Durchschlagsfestigkeit der Betriebsmittel sicherstellen. Derartige Betriebsmittel sind in der Regel hochwertig und werden daher proaktiv gewartet, um eine fortgesetzte Betriebsbereitschaft abzusichern.
Außergewöhnliche Beanspruchungen der Betriebsmittel durch Überbelastung, partielle Überhitzung oder chemische Zersetzung können das Isoliervermögen des Betriebsmittels und die Betriebssicherheit herabsetzen. Solche Beanspruchungen gehen jedoch auch mit einer Entwicklung diverser Spaltgase einher, welche sich in dem Iso- lieröl lösen und mittels Gas-in-ÖI-Analysen ("Dissolved Gas Analysis", DGA) bestimmbar sind. Bestimmte Gasmuster erlauben dabei sogar den Rückschluss auf bestimmte Beanspruchungen. Prinzipiell erlaubt dies einen Rückschluss auf das Isoliervermögen des Betriebsmittels und den Zustand des Isolieröls, und eine auf dieser Basis erfolgende kontinuierliche Überwachung kann drohende Ausfälle der betreffenden Be- triebsm ittel rechtzeitig aufdecken.
Im Rahmen von Gas-in-ÖI-Analysen wird eine Ölprobe genommen, das darin gelöste Gas zumindest teilweise extrahiert und auf die Art und Konzentration von Gasbestandteilen hin analysiert. Diese Analyse ist auch vor Ort mit tragbaren Analysevorrichtun- gen zur mobilen Gas-in-ÖI-Analyse oder als fest installierte Prozessüberwachungs Variante (Online-DGA Offline-DGA) möglich.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Online-DGA ist in der WO 2007/1 15807 A8 offenbart und kombiniert eine Headspace-Methode zur Gasextraktion mit einer photoakus- tischen Infrarot-Spektroskopie zur Gasanalyse. Eine weitere beispielhafte Vorrichtung zur Offline- oder Online-DGA ist in der US 6,391 ,096 B1 beschrieben. Darin wird eine membranbasierte Gasextraktion und eine Gasdetektion mittels Wärmeleitfähigkeitsdetektor offenbart. Bei ansonsten gleichen Merkmalen verweist die US 8,075,675 B2 bei der Gasdetektion ganz allgemein auf Gaschromatographie. Die US 6,365,1 05 B1 of- fenbart eine Online-DGA basierend auf der Headspace-Methode und einer wärmeleit- fähigkeitsbasierten Gasanalyse. Die US 2014/0053626 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Online-DGA mit membranbasierter Gasextraktion und einer ganz allgemeinen Gasdetektion. In der WO 2013/076618 A1 wird vorgeschlagen, eine membranbasierte Gasextraktion mit einem allgemeinen Gaskonzentrationssensor zu kombinieren. Die DE 10 252 652 A1 offenbart eine Mehrperioden-Vakuumextraktion in Kombination mit einer ganz allgemeinen Gaschromatographie. Die CN 1645107 A und die CN 100351624 C offenbaren zusammengefasst eine Headspace-Methode in Verbindung mit einer ramanspektroskopischen Gasdetektion. In der CN 104165880 A ist eine
membranbasierte Gasextraktion mit einer ramanspektroskopischen Gasdetektion offenbart. Die US 8,383,855 B2 schlägt vor, eine Gas-in-Flüssigkeits-Analyse mittels ra- manspektroskopischer Gasdetektion durchzuführen, welche sich wiederum auf eine optische Multi-Pass-Zelle stützt.
Ganz allgemein stellt der bekannte Stand der Technik Vorrichtungen zur mobilen Gasin-Öl-Analyse bereit, in welchen eine jeweilige Größe der Vorrichtung durch deren Einzelteile bestimmt ist. Eine große Zahl von Einzelteilen führt demnach zu entsprechenden Abmessungen, was insbesondere für die beabsichtigte mobile Anwendung hin- derlich ist. Ferner sind jeweils lediglich die Gasbestandteile des zu untersuchenden Fluids bestimmbar, nicht die Flüssigkeit in dem Fluid. Zudem wird jeweils n eine bestimmte Methode zur Entgasung des Fluids unterstützt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es besteht daher ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas sowie an Analysesystemen zur Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas, welche die genannten Nachteile des Stands der Technik beheben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , durch ein Analysesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Eine Vorrichtung zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas nach einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Pumpe mit einem Gehäuse zum Fördern des Fluids. Im Inneren des Gehäuses ist ein Probenraum zum Entgasen des Flu- ids ausgebildet ist, um in dem Fluid gelöstes Gas in dem Probenraum zu extrahieren. Die Pumpe ist dazu eingerichtet, das Entgasen des Fluids in dem Probenraum durchzuführen, d.h. die Entgasung findet unmittelbar in dem Probenraum der Pumpe statt. Die Pumpe umfasst ferner einen Reaktor, welcher dazu eingerichtet ist, eine physikalische Wechselwirkung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas herbeizuführen.
Durch den im Inneren des Gehäuses ausgebildeten Probenraum entfällt der Raumbedarf einer extern ausgebildeten Pumpe. So ergibt sich eine kompaktere Bauweise der Vorrichtung. Zudem ist nur eine sehr geringe Probenmenge von Gas (beispielsweise < 10 ml) bzw. Flüssigkeit (beispielsweise < 30 ml) zum Analysieren erforderlich.
Der übergeordnete Begriff Fluid bezeichnet hier insbesondere Gase und Flüssigkeiten. Als Probenraum wird insbesondere ein druckfest eingegrenzter Raum zur Aufnahme einer Fluidprobe, welche einer Analyse zu unterziehen ist, verstanden. Eine Analyse ist dabei insbesondere eine Untersuchung zum Bestimmen von Einzelbestandteilen einer zusammengesetzten Substanz, etwa einer Zusammensetzung eines in der Fluidprobe gelösten Gases. Mit Entgasen wird hier ein gesteuertes Entfernen von flüchtigen Substanzen, insbesondere Gasen, aus der Fluidprobe verstanden. Das Entgasen kann ein Verfahren umfassen, welches aus der Gruppe bestehend aus monoperiodischer Vakuumextraktion, mehrperiodischer Vakuumextraktion und Head- space-Verfahren ausgewählt ist.
Dadurch besteht eine Wahlmöglichkeit beim Entgasen des Fluids zwischen unter- schiedlichen Verfahren, welche allesamt die Anforderung der Norm EN 60567 erfüllen bzw. diesen Anforderungen entsprechen.
Bei einer monoperiodischen Vakuumextraktion wird die Fluidprobe mehrmalig einem definierten Unterdruck ausgesetzt (im Minutenbereich), sodass eine Partialentgasung der Probe stattfindet.
Bei einer mehrperiodischen Vakuumextraktion wird angestrebt, so viel gelöstes Gas wie möglich aus mehreren Proben des Fluids herauszulösen. Hierzu werden die mehreren Proben nacheinander jeweils mehrmalig einem definierten Unterdruck ausge- setzt, was einer Reihe monoperiodischer Vakuumextraktionen mit einer jeweils neuen Probe entspricht.
Bei dem Headspace-Verfahren, auch Dampfraum-Verfahren genannt, steht die Fluidprobe in Kontakt mit einem Dampfraum über der Fluidprobe („Headspace"). Teile des
in der Fluidprobe gelösten Gases gehen unter Gleichgewichtsbedingungen von Temperatur, Druck und Erschütterung in den Dampfraum über.
Die Pumpe kann aus der Gruppe bestehend aus Kolbenpumpe und Membranpumpe ausgewählt sein.
Derartige Pumpen sind einfach aufgebaut und haben eine geringe Ausfallneigung.
Beispielsweise ist bei einer als Kolbenpumpe ausgebildeten Pumpe ein Rauminhalt des Probenraums durch ein Anheben oder ein Absenken eines Kolbens der Pumpe veränderbar.
Die Pumpe kann einen Aktor umfassen, welcher aus der Gruppe bestehend aus Rührer und Sonotrode ausgewählt ist.
Rührer oder Sonotroden können die Entgasung der Fluidprobe optimieren.
Unter Sonotroden werden insbesondere Werkzeuge verstanden, welche durch eingeleitete hochfrequente mechanische Schwingungen (Ultraschall) in Resonanz versetzt werden und damit eine Bearbeitungsaufgabe erfüllen.
Der Reaktor kann dazu eingerichtet sein, eine spektrale Änderung einer Strahlung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas herbeizuführen. Die Strahlung kann dabei beispielsweise einer Absorption oder einer Streuung durch eine Anzahl von Bestandteilen des extrahierten Gases unterliegen.
Der Reaktor kann dazu eingerichtet sein, eine Raman-Streuung einer einfallenden Laserstrahlung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas herbeizuführen.
Raman-Streuung bezeichnet insbesondere eine inelastische Streuung von Licht einer bestimmten Frequenz aufgrund inelastischer Stöße zwischen Photonen und Molekülen. Einerseits führt dies zu Veränderungen der Schwingungs- und Rotationsanre-
gungszustände der wechselwirkenden Moleküle, andererseits werden Teile des einfallenden Lichts gestreut. Das Streulicht weist insbesondere höhere und niedrigere Frequenzen als die eingestrahlte Frequenz auf. Diese sogenannte Raman-Emission erlaubt insbesondere einen Rückschluss auf Art und Konzentration der wechselwir- kenden Moleküle. Bevorzugt wird die Raman-Streuung von einfarbigem Licht, etwa Laserlicht, herbeigeführt, da die höheren und niedrigeren Frequenzen der sich ergebenden Raman-Emission im Verhältnis zu der eingestrahlten Frequenz leicht ermittelbar sind. Der Reaktor kann eine optische Multi-Pass-Messzelle umfassen, um die Raman- Streuung der einfallenden Laserstrahlung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas herbeizuführen.
Eine optische Multi-Pass-Messzelle stellt in einem geringen Volumen eine lokale Er- höhung der Laserleistungsdichte bereit. Hierzu umfasst die Zelle einander gegenüberstehende und aufeinander abgestimmte fokussierende Spiegel, welche einen einfallenden Lichtstrahl mehrfach hin- und herwerfen. Das in der Fokusebene der Spiegel gestreute Licht wird senkrecht zu den Fokussierspiegeln mittels Kollimationsoptiken gesammelt und zu einem Detektor geführt. Da durch die Fokussierung der Laserlichts der Streuprozess verstärkt wird, wird der Raman-Effekt bezüglich einer Konzentration von wechselwirkenden Molekülen empfindlicher.
Optische Multi-Pass-Messzellen sind zur Analyse von gasförmigen Bestandteilen des Fluids wie auch von flüssigen Bestandteilen des Fluids einsetzbar. Für die Analyse von Gasen eignen sich insbesondere solche optische Multi-Pass-Messzellen mit Zellenvolumen < 2 ml. Die Messung des Gases kann im Fluss oder mit erhöhtem Druck durchgeführt werden.
Bei Gasen sind etwa folgende Informationen bestimmbar: Gaszusammensetzung und -konzentration mit nur einer Messtechnik, homonukleare (z.B. N2, O2, Hb) und komplexe Moleküle (z.B. CnHn, CnOn) sowie Einzelgase und Gasgemische bei hoher Genauigkeit (< 50 ppm) und klarer Separierung.
Der Reaktor kann eine weitere optische Multi-Pass-Messzelle umfassen, um eine Ra- man-Streuung einer weiteren einfallenden Laserstrahlung in Abhängigkeit von einer Flüssigkeit in dem Fluid herbeizuführen. Mit der weiteren optischen Multi-Pass-Messzelle kann auch eine Wechselwirkung von flüssigen Bestandteilen des Fluids mit eingestrahltem Licht herbeigeführt werden, wahlweise auch gleichzeitig mit jener der gasförmigen Bestandteile. Beispielsweise können dadurch die Hauptkomponenten der chemischen Struktur der Flüssigkeit bestimmt werden. Sofern es sich bei dem Fluid um ein Öl handelt, werden dabei Infor- mationen wie etwa Ölqualität, Alterungszustand, Aufbrechen von CH-Ketten, Alterungsindikator 2-Fal (Furan), Oxidation, Säuren, korrosiver Schwefel, Benzene, Verunreinigungen wie polychlorierte Biphenyle (PCB), Papierpartikel im Öl (über Fluoreszenz) und Ölzusammensetzung, insbesondere hinsichtlich Inhibitorgehalt und Oxida- tionsstabilität, zugänglich.
Zur Analyse von Flüssigkeiten sind insbesondere solche optische Multi-Pass-Messzel- len geeignet, welche ein Flüssigkeitsvolumen < 2 ml aufnehmen. Die Messung an einer Flüssigkeit kann auch im Fluss durchgeführt werden. Die Pumpe kann dazu eingerichtet sein, zum Fördern des Fluids einen Rauminhalt des Probenraums zu verändern.
Die Pumpe kann dazu eingerichtet sein, zum Entgasen des Fluids den Rauminhalt des Probenraums so zu vergrößern, dass ein definierter Unterdruck entsteht. Die Pumpe kann auch dazu eingerichtet sein, den Gasdruck in der Multipass-Zelle zu verändern. Die bereits vorhandene Pumpe kann demzufolge auch zum Entgasen eingesetzt werden, ohne den Raumbedarf der Vorrichtung zu vergrößern. Dies trägt zusätzlich zu einem kompakten, raumsparenden Aufbau der Vorrichtung bei. Eine zum Entgasen geeignete Pumpe verfügt vorzugsweise über einen durch das Gehäuse und den Kolben mit Aktor ausgebildeten Probenraum, dessen Rauminhalt maximal das zehn- bis zwanzigfache des Volumens des zu entgasenden Fluids umfasst. Bevorzugt ist die Pumpe derart ausgestaltet, dass in dem Probenraum ein Unterdruck < 0,001 mbar realisierbar ist.
Zudem weist der Probenraum vorzugsweise eine Leckrate QL < 5-10"6 mbar l/s auf.
Mit dem definierten Unterdruck sind die bereits erwähnten Entgasungsverfahren der monoperiodischen Vakuumextraktion sowie der mehrperiodischen Vakuumextraktion realisierbar, und dabei je nach Anforderungen kurzfristig und frei wählbar.
Die Vorrichtung kann ferner eine Fluidverbindung zum Fördern des Fluids zwischen der Pumpe einerseits und einem Fluideinlass, einem Fluidauslass und/oder dem Re- aktor der Vorrichtung andererseits umfassen, welche mittels steuerbarer Ventile durch- schaltbar sind.
Der Fluideinlass und der Fluidauslass sind dabei externe Fluidschnittstellen der Vorrichtung zu einer Umgebung derselben.
Die Vorrichtung kann zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Öl gelöstem Gas ausgestaltet sein.
Die Vorrichtung kann tragbar ausgestaltet sein, sodass sie sich neben einer Festin- stallation bevorzugt für eine mobile Diagnostik eignet. Alternativ kann die Vorrichtung auch zur festen Installation an einem zu analysierenden Betriebsmittel, insbesondere einem energietechnischen Betriebsmittel bzw. einem Betriebsmittel der Energieversorgung, wie etwa einem Leistungtransformator, einem Messwandler, einem Hochspannungskabel, einer Hochspannungsdurchführung oder einem Hochspannungsschalter, ausgestaltet sein, um somit vor Ort einen Test des jeweiligen Betriebsmittels zu ermöglichen.
Ein Analysesystem zur Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas umfasst eine Vorrichtung zum Vorbereiten der Analyse des in dem Fluid gelösten Gases und eine Ana- lyseeinrichtung zum Durchführen der Analyse des in dem Fluid gelösten Gases.
Das Analysesystem ermöglicht insbesondere eine Bestimmung der Zusammensetzung des Fluids sowohl hinsichtlich des gelösten Gases als auch hinsichtlich der Flüssigkeit in dem Fluid.
Das Analysesystem kann zum Analysieren von in einem Öl eines öl isolierten Hochspannungsbetriebsmittels, beispielsweise eines Transformators etc., gelöstem Gas ausgestaltet sein, um somit anhand der Zusammensetzung des Gases auf den Zu- stand des Betriebsmittels schließend zu können. Diese Anwendung wird auch als Gasin-Öl-Analyse ("Gas-In-Oil Analysis") oder Analyse gelöster Gase ("Dissolved Gas Analysis", DGA) bezeichnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsfall beschränkt, sondern kann grundsätzlich auch für andere Analyseanwendungen verwendet werden, bei denen Gas aus einem Fluid zur Analyse zu extrahieren ist.
Ein Verfahren zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas nach einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Fördern des Fluids mittels einer Pumpe, ein Entgasen des Fluids in einem Probenraum der Pumpe, wobei das in dem Fluid gelöste Gas extrahiert wird, und ein Herbeiführen einer physikalischen Wechselwirkung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas.
Das Verfahren ist vorteilhafterweise nicht invasiv, d.h. das Betriebsmittel kann während der Durchführens des Verfahrens im Wertschöpfungsprozess aktiv bleiben. An- sonsten entsprechen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche vorab im Detail ausgeführt worden sind, sodass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
Das Verfahren kann mit der Vorrichtung zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Analysesystems nach einem Aus- führungsbeispiel.
Fig. 3 zeigt Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die Figuren sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt, sondern vielmehr derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und ihr Zweck dem Fachmann verständlich werden.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 10 umfasst demzufolge eine Pumpe 20 und einen Reaktor 30.
Die Pumpe 20 dient zum Fördern eines Fluids, insbesondere von Öl, und weist ein Gehäuse 21 auf. Im Inneren des Gehäuses 21 der Pumpe 20 ist ein Probenraum 22 zum Entgasen des Fluids ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Pumpe derart aus- gestaltet, dass sie ein in dem Fluid gelöstes Gas in dem Probenraum 22 extrahieren kann, d.h. die Pumpe 20 und der Probenraum 22 sind Bestandteile einer in die Pumpe integrierten Entgasungseinrichtung.
Die Pumpe 20 ist als Kolbenpumpe mit einem Kolben 23 ausgestaltet. Mittels eines mechanischen Antriebs 24 ist der Kolben 23 stufenlos zwischen einer ausgefahrenen Stellung, in welcher ein Rauminhalt des Probenraums 22 minimal ist, und einer zurückgezogenen Stellung, in welcher der Rauminhalt des Probenraums 22 maximal ist, verstellbar. Der veränderliche Rauminhalt des Probenraums 22 ermöglicht ein Fördern und Entgasen des Fluids sowie eine Druckänderung im Messraum 43.
Ein als Sonotrode ausgebildeter Aktor 25, welcher an dem Kolben 23 oder am Antriebsblock befestigt ist und in den Probenraum 22 ragt, optimiert das Entgasen und ist somit vorzugsweise ebenfalls Bestandteil der Entgasungseinrichtung. Der Kolben 23 und der Aktor 25 sind dabei so an die Form des Gehäuses 21 angepasst, dass der Rauminhalt des Probenraums 22 in der ausgefahrenen Stellung des Kolbens 23 verschwindet.
Die Pumpe 20 ist dazu ausgestaltet, das Entgasen des Fluids in dem Probenraum 22 durchzuführen. Das Entgasen kann auf eine von mehreren Arten erfolgen, nämlich durch monoperiodische Vakuumextraktion, mehrperiodische Vakuumextraktion oder durch ein Headspace-Verfahren. Diese Varianten unterscheiden sich voneinander in der Art und Häufigkeit der Ansteuerung des Kolbens 23 durch den Antrieb 24. In dem Reaktor 30 der Vorrichtung 10 ist insbesondere eine Raman-Streuung einer einfallenden Laserstrahlung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas herbeiführbar. Hierzu umfasst der Reaktor 30 eine der Pumpe 20 nachgeschaltete optische Multi- Pass-Messzelle 31 . Diese erhöht die zur Verfügung stehende Laserleistungsdichte in der Fokusebene der Sammeloptiken derart, dass die Raman-Streuung eine hohe Empfindlichkeit bezüglich einer Konzentration des extrahierten Gases aufweist.
Mit dem Reaktor 30 ist darüber hinaus eine Raman-Streuung einer weiteren einfallenden Laserstrahlung in Abhängigkeit von einer Flüssigkeit in dem Fluid herbeiführbar. Dies erfolgt mittels einer weiteren optischen Multi-Pass-Messzelle 32, welche der Pumpe 20 vorgeschaltet ist und durch welche die Pumpe 20 das Fluid von einem Flu- ideinlass 41 der Vorrichtung 10 in den Probenraum 22 der Pumpe 20 fördert.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine sich zwischen dem Fluideinlass 41 und einem Fluidauslass 42 erstreckende Fluidverbindung 43 zum Fördern des Fluids von und zu der Pumpe 20, welche Fluidleitungen 43 aufweist, die mittels steuerbarer Ventile 44-1 bis 44-4 in verschiedener weise durchschaltbar sind. So kann etwa bei einem Vergrößern des Rauminhalts des Probenraums 22 eine an dem Fluideinlass 41 verfügbare Fluidprobe durch die weitere optische Multi-Pass-Messzelle 32 hindurch dem Proben-
räum 22 der Pumpe 20 zugeführt werden, oder ein in der optischen Multi-Pass-Messzelle 31 analysiertes Gas in den Probenraum 22 abgeführt werden. Gleichermaßen kann durch ein Verkleinern des Rauminhalts des Probenraums 22 das aus dem Fluid extrahierte Gas der optischen Multi-Pass-Messzelle 31 zugeführt oder allgemein der Inhalt des Probenraums 22 zu dem Fluidauslass 42 hin abgeführt werden.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 eine Steuereinrichtung 50, welche dazu eingerichtet ist, den Antrieb 24, den Aktor 25 und die Ventile 44 koordiniert anzusteuern. Dadurch kann bedarfsweise eine definierte Durchschaltung des Messraum 43 zwi- sehen
- dem Fluideinlass 41 und dem Probenraum 22 der Pumpe 20,
- dem Probenraum 22 und der Multi-Pass-Zelle 31 , oder
- dem Probenraum 22 und dem Fluidauslass 42
erfolgen. Zudem ist der Probenraum 22 druckfest verschließbar.
Ferner kann die Steuereinrichtung 50 den Antrieb 24 derart betätigen, dass der Kolben 23 eine definierte Position zwischen der ausgefahrenen Stellung und der zurückgezogenen Stellung einnimmt. So ist in Abhängigkeit von einer vorherigen Position des Kolbens 23 eine Änderung des Rauminhalts des Probenraums 22, und daran anknüp- fend in Abhängigkeit von einer jeweiligen Durchschaltung der Fluidverbindung 43 eine Druckänderung in dem Probenraum herbeiführbar. Ein Unterdruck kann zum Ansaugen einer Substanz, etwa einer Fluidprobe, in den Probenraum 22 oder zum Entgasen des Fluids in dem Probenraum 22 dienen. Ein Überdruck ist für ein Abführen von Substanzen aus dem Probenraum 22 einsetzbar. Zuzüglich ist eine Druckeinstellung in der Messzelle 43 mit der Position des Kolbens 23 möglich.
Ein Betätigen des Aktors 25 durch die Steuereinrichtung 50 kann das Entgasen des Fluids optimieren. Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Analysesystems 60 nach einem Ausführungsbeispiel.
Es weist eine Vorrichtung 10 und eine Analyseeinrichtung 70 auf.
Die Vorrichtung 10 dient darin zum Vorbereiten der Analyse des in dem Fluid gelösten Gases. Dabei wird insbesondere das in dem Fluid gelöste Gas extrahiert und der optischen Multi-Pass-Zelle 31 zugeführt. In der Analyseeinrichtung 70 wird daran anknüpfend die Analyse des in dem Fluid gelösten Gases durchgeführt. Dies umfasst zunächst, eine Laserstrahlung zu erzeugen und durch die optische Multi-Pass-Zelle 31 der Vorrichtung 1 0 zu leiten, um das darin befindliche, aus dem Fluid extrahierte Gas mit der Laserstrahlung wechselwirken zu lassen. Zudem ist die Analyseeinrichtung 70 dazu eingerichtet, ein aus der Wech- selwirkung resultierendes Strahlungsspektrum zu erstellen und mit einer Anzahl von Referenzspektren bekannter Gase oder statistischen Verfahren automatisiert abzugleichen, um eine Zusammensetzung des extrahierten Gases zu bestimmen. Damit ist das Analysesystem 60 etwa zur Analyse von Fehlergasen, welche in einem Öl eines ölisolierten Hochspannungsbetriebsmittels gelöst sind, einsetzbar. Die Analyseeinrich- tung 70 kann beispielsweise einer Laserlichtquelle und ein Spektrometer umfassen.
Fig. 3 zeigt Verfahrensschritte 81 - 83 eines Verfahrens 80 zum Analysieren von in einem Fluid gelöstem Gas nach einem Ausführungsbeispiel. Im Schritt 81 erfolgt ein Fördern des Fluids durch die Pumpe 20. Dem geht zunächst ein Evakuieren des Reaktors 30 durch die Pumpe 20 voraus. Ausgehend von der ausgefahrenen Stellung des Kolbens 23, in welcher der Probenraum 22 keinen Rauminhalt aufweist, werden hierzu die beiden an der optischen Multi-Pass-Zelle 31 angebrachte Ventil 44-1 geöffnet, um eine Fluidverbindung zwischen der Umgebung der Vorrichtung 10 oder Messraum 43 und dem Probenraum 22 durchzuschalten, und die beiden anderen Ventile 44-2, 44-4 werden geschlossen. Anschließend wird der Kolben 23 mindestens so weit in Richtung seiner zurückgezogenen Stellung (d.h. in Fig. 3 nach unten) bewegt, dass der gesamte Rauminhalt der optischen Multi-Pass-Zelle 31 in den Probenraum 22 entleert wird. Dann wird das Ventil 44-1 wieder geschlossen und stattdessen das Ventil 44-2 geöffnet, um eine Fluidverbindung zwischen dem Probenraum 22 und dem Fluidauslass 42 herzustellen. Der Kolben 23 wird sodann in seine ausgefahrene Stellung gebracht, wodurch eine Abfuhr des gesamten Inhalts des Probenraums 22 über den Fluidauslass 42 erfolgt. Dieser Prozess kann mehrmals wiederholt werden, um den geforderten Vakuumdruck zu erreichen.
Zum Fördern des Fluids wird das Ventil 44-2 wieder geschlossen und das Ventil 44-4 geöffnet, um nun eine sich von dem Fluideinlass 41 bis zu dem Probenraum 22 erstreckende Fluidverbindung bereitzustellen. Der Kolben 23 wird anschließend, wiederum ausgehend von seiner ausgefahrenen Stellung, so weit in Richtung seiner zurückgezogenen Stellung bewegt, dass sich der Probenraum 22 mit einem definierten Probenvolumen des Fluids füllt. Der Kolben 23 nimmt dabei eine Befüllungsposition ein.
Im Schritt 83-1 kann eine physikalische Wechselwirkung in Abhängigkeit von dem Fluid mit der Multi-Pass-Zelle 32 herbeigeführt werden.
Im Schritt 82 erfolgt ein Entgasen des Fluids in der Pumpe 20, beispielsweise gemäß einem der folgenden Verfahren. a) Monoperiodische Vakuumextraktion (Entgasung einer einzelnen Fluidprobe durch Vakuum)
Ein jedes der Ventile 44-1 - 44-4 wird geschlossen, sofern es geöffnet ist. Im Anschluss wird der Kolben 23 über die Befüllungsposition hinaus so weit in Richtung seiner zurückgezogenen Stellung bewegt, bis sich ein definierter vakuumähnlicher Unterdruck (< 0,001 mbar) in dem Probenraum 22 ergibt.
Für eine definierte Zeitspanne, typischerweise einige Minuten, können durch die Sonotrode 25 Ultraschallschwingungen in das Fluid eingespeist werden, um die währenddessen stattfindende Entgasung des Fluids zu verbessern.
Nach Ablauf der definierten Zeitspanne wird das Ventil 44-1 geöffnet und der Kolben 23 wieder in seine Befüllungsposition zurückgeführt, um eine Fluidverbindung 43 zwischen dem Probenraum 22 und der optischen Multi-Pass-Zelle 31 durchzuschalten, mit welcher das extrahierte Gas per Druckausgleich in die optische Multi-Pass-Zelle 31 gelangt. Der Druck des extrahierten Gases wird in dem Probenraum 22 gemessen und danach das Ventil 44-1 geschlossen.
Diese Entgasungsschritte sind so oft zu wiederholen, bis sich nach der jeweiligen Entgasung in dem Probenraum 22 ein konstanter Druck einstellt oder bis eine definierte Anzahl von Entgasungszyklen erreicht ist. b) Mehrperiodische Vakuumextraktion (Entgasung mehrerer Fluidproben durch Vakuum)
Bei dieser Entgasungsvariante werden mehrere Fluidproben jeweils einer monoperiodischen Vakuumextraktion unterzogen. Dazu werden die Verfahrensschritte 81 (mit Ausnahme des Evakuierens des Reaktors 30) und 82a mehrfach - mit jeweils einer neuen Fluidprobe - durchlaufen. Abbruchkriterium der Wiederholung ist, dass sich in der optischen Multi-Pass-Zelle 31 ein definierter Druck einstellt.
Dabei ist vor jeder neuen Fluidprobe der Probenraum 22 zum Fluidauslass 42 hin zu evakuieren, um Platz für die neue Fluidprobe zu schaffen. Dazu ist zunächst das Ventil 44-1 wieder zu verschließen und der Kolben 23 nacheinander erst in seine zurückgezogene Stellung und dann in seine Befüllungsposition zu stellen. Im Anschluss ist das Ventil 44-2 zu öffnen, um eine Fluidverbindung 43 vom Probenraum 22 zum Fluidauslass 42 durchzuschalten. Der Probenraum 22 wird dann durch ein Heben des Kolbens 23 in seine ausgefahrene Stellung vollständig entleert. c) Headspace-Verfahren (einmalige Entgasung einer Fluidprobe durch Dampfdruck)
Davon abweichend verdampft beim Headspace-Verfahren ein Teil des in dem Fluid gelösten Gases, ohne dass ein vakuumähnlicher Druck anzuwenden ist, weil sich ein Gleichgewicht der flüchtigen Bestandteile des Fluids zwischen dem Fluid und einem darüber liegenden Dampfraum einstellt.
Dementsprechend sind zwar auch zunächst alle Ventile 44-1 - 44-4 zu schließen, sofern sie geöffnet sind. Jedoch senkt sich der Kolben 23 nur etwas ab, und es wird bereits vor der Entgasung eine Fluidverbindung 43 zwischen der
Probenkammer 22 und der optischen Multi-Pass-Zelle 31 über das Ventil 44-1 hergestellt.
Für eine definierte Zeitspanne, typischerweise einige Minuten bis Stunden, fin- det dann die Entgasung des Fluids statt.
Nach Ablauf der definierten Zeitspanne wird der Kolben 23 wieder in seine Be- füllungsposition zurückgeführt, der Druck des extrahierten Gases in dem Probenraum 22 gemessen und das Ventil 44-1 geschlossen.
Im Schritt 83-2 wird eine physikalische Wechselwirkung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas herbeigeführt.
Der optischen Multi-Pass-Zelle 31 kann in diesem Verfahrensstadium eine Laserstrah- lung zugeführt werden, welche mit dem extrahierten Gas im Sinne einer Raman-Streu- ung interagiert.
Gleichermaßen ist der weiteren optischen Multi-Pass-Zelle 32, in welcher sich noch immer das Fluid befindet, eine Laserstrahlung zuführbar, welche einer Raman-Streu- ung durch die Flüssigkeit des Fluids unterliegt.
An diesem Punkt ist die resultierende Raman-Emission dahingehend analysierbar, aus welchen Einzelbestandteilen sich das aus dem Fluid extrahierte Gas zusammensetzt. Dies kann automatisiert durch Vergleich des Spektrums der gestreuten Laserstrahlung mit einer Anzahl von Referenzspektren bekannter Gase oder mit einem statistischen Verfahren erfolgen, wozu beispielsweise die Analyseeinrichtung 50 des Analysesystems 60 eingerichtet ist.
Zum Abschluss dieses Verfahrensschritts sind sowohl der Reaktor 30 als auch der Probenraum 22 zum Fluidauslass 42 hin zu evakuieren.
Hierzu werden zunächst die beiden Ventile 44-1 , 44-3 geöffnet, um eine Fluidverbin- dung 43 zwischen der Umgebung der Vorrichtung 10 und dem Probenraum 22 durchzuschalten, während die beiden anderen Ventile 44-2, 44-4 geschlossen werden bzw.
bleiben. Anschließend wird der Kolben 23 mindestens so weit in Richtung seiner zurückgezogenen Stellung bewegt, bis der gesamte Rauminhalt der optischen Multi- Pass-Zelle 31 in den Probenraum 22 entleert ist. Danach wird das Ventil 44-1 wieder geschlossen und das Ventil 44-2 geöffnet, um eine Fluidverbindung 43 von dem Probenraum 22 bis zum Fluidauslass 42 herzustellen. Der Kolben 23 wird sodann in seine ausgefahrene Stellung gebracht, sodass der gesamte Rauminhalt des Probenraums 22 über den Fluidauslass 42 abgeführt wird. BEZUGSZEICHENLISTE
10 Vorrichtung
20 Pumpe
30 Reaktor
31 , 32 Multi-Pass-Zellen
21 Gehäuse
22 Probenraum
23 Kolben
24 Antrieb
25 Aktor
41 Fluideinlass
42 Fluidauslass
43 Fluidverbindung Messraum
44-1 , 44-2, Ventile
44-3, 44-4
50 Steuereinrichtung
60 Analysesystem
70 Analyseeinrichtung
80 Verfahren
81 -84 Verfahrensschritte
Claims
1 . Vorrichtung (10) zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas, umfassend
eine Pumpe (20) zum Fördern des Fluids,
wobei im Inneren eines Gehäuses (21 ) der Pumpe (20) ein Probenraum (22) zum Entgasen des Fluids ausgebildet ist, um in dem Fluid gelöstes Gas in dem Probenraum (22) zu extrahieren,
wobei die Pumpe (20) dazu eingerichtet ist, das Entgasen des Fluids in dem Probenraum (22) durchzuführen, und
einen Reaktor (30), welcher dazu eingerichtet ist, eine physikalische Wechselwirkung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas herbeizuführen.
2. Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 ,
wobei das Entgasen ein Verfahren umfasst, welches ausgewählt ist aus der
Gruppe bestehend aus monoperiodischer Vakuumextraktion, mehrperiodischer Vakuumextraktion und Headspace-Verfahren.
3. Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei die Pumpe (20) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kolbenpumpe und Membranpumpe.
4. Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Pumpe (20) einen Aktor (24) zum Unterstützen des Entgasens des Fluids in dem Probenraum (21 ) durch die Pumpe (20) umfasst, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Rührer und Sonotrode.
5. Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Reaktor (30) dazu eingerichtet ist, eine spektrale Änderung einer Strahlung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas oder dem Fluid herbeizuführen.
6. Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Reaktor (30) dazu eingerichtet ist, eine Raman-Streuung einer einfallenden Laserstrahlung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas oder dem Fluid herbeizuführen.
7. Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 6,
wobei der Reaktor (30) eine optische Multi-Pass-Messzelle (31 ) umfasst, um die Raman-Streuung der einfallenden Laserstrahlung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas oder dem Fluid herbeizuführen.
8. Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 6 oder 7,
wobei der Reaktor (30) eine weitere optische Multi-Pass-Messzelle (32) umfasst, um eine Raman-Streuung einer weiteren einfallenden Laserstrahlung in Abhängigkeit von dem der Pumpe (20) zugeführten Fluid herbeizuführen.
9. Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Pumpe (20) dazu eingerichtet ist, zum Fördern des Fluids einen Rauminhalt des Probenraums (22) zu verändern.
10. Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 9,
wobei die Pumpe (20) dazu eingerichtet ist, zum Entgasen des Fluids den Rauminhalt des Probenraums (22) so zu vergrößern, dass ein definierter Unterdruck entsteht.
1 1 . Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend eine Fluidverbindung (43) zum Fördern des Fluids zwischen der Pumpe (20) einerseits und einem Fluideinlass (41 ), einem Fluidauslass (42) und/oder dem Reaktor (30) der Vorrichtung (10) andererseits, welche mittels steuerbarer Ventile (44) durchschaltbar ist.
12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 1 ,
umfassend eine Steuereinrichtung (50) zum koordinierten Steuern der steuerbaren Ventile (44) und einer Betätigung der Pumpe (20), um somit das Fördern des Fluids und das Entgasen des Fluids durch die Pumpe (20) zu steuern.
13. Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Vornchtung (10) zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Öl gelöstem Gas ausgestaltet ist.
14. Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Vorrichtung (10) tragbar ausgestaltet ist.
15. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 -13,
wobei die Vorrichtung (10) zur festen Installation an einem zu analysierenden Betriebsmittel ausgestaltet ist.
16. Analysesystem (50) zur Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas, umfassend eine Vorrichtung (10) zum Vorbereiten der Analyse des in dem Fluid gelösten
Gases gemäß einem der Ansprüche 1 -15, und
eine Analyseeinrichtung (60) zum Durchführen der Analyse des in dem Fluid gelösten Gases und/oder des Fluides.
17. Analysesystem (50) gemäß Anspruch 16,
wobei das Analysesystem (50) zum Analysieren von in einem Öl eines ölisolier- ten Hochspannungsbetriebsmittels gelöstem Gas ausgestaltet ist.
18. Verfahren zum Vorbereiten einer Analyse von in einem Fluid gelöstem Gas, umfassend
Fördern des Fluids mittels einer Pumpe (20),
Entgasen des Fluids in einem Probenraum (21 ) der Pumpe (20), wobei mittels der Pumpe (20) das in dem Fluid gelöste Gas in dem Probenraum (21 ) extrahiert wird, und
Herbeiführen einer physikalischen Wechselwirkung in Abhängigkeit von dem extrahierten Gas.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 -15 durchgeführt wird.
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