WO2022199928A1 - Online- oder in-situ-messeinrichtung für eine konzentrationsmessung eines gases - Google Patents

Online- oder in-situ-messeinrichtung für eine konzentrationsmessung eines gases Download PDF

Info

Publication number
WO2022199928A1
WO2022199928A1 PCT/EP2022/053213 EP2022053213W WO2022199928A1 WO 2022199928 A1 WO2022199928 A1 WO 2022199928A1 EP 2022053213 W EP2022053213 W EP 2022053213W WO 2022199928 A1 WO2022199928 A1 WO 2022199928A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
raman
concentration
measurement
measuring device
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/053213
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Stratmann
Franziska Seitz
Theodoros Garavelis
Heiko WITZEL
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP22709227.7A priority Critical patent/EP4314777A1/de
Publication of WO2022199928A1 publication Critical patent/WO2022199928A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G01N2021/8578—Gaseous flow
    • 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
    • G01N33/22—Fuels, explosives
    • G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an online or in-situ measuring device for measuring the concentration and/or quantitatively evaluating the concentration of a gas or a gas mixture using Raman spectroscopy, with at least one gas measuring chamber for the gas or the gas mixture.
  • the invention relates to a method for measuring a concentration and/or a quantitative evaluation of the concentration of a gas or a gas mixture by means of Raman spectroscopy and to the use of the online or in-situ measuring device and/or the method.
  • gas concentration proportions of hydrogen, nitrogen, oxygen and (climatic) pollutant gases such as carbon dioxide
  • hydrocarbons acetylene, ethylene, ethane, propene, propane, methane, n-butane, etc.
  • sulfur compounds such as sulfur dioxide and water steaming
  • concentration is typically determined in the gas networks and transfer points by means of sampling with subsequent, rather complex gas chromatographic analysis.
  • gas fractions of, for example, hydrogen, oxygen and carbon dioxide are currently only determined using different sensors, ie sensors that are available for every type of gas and, above all, only in certain concentration ranges (no sensor is sufficient for the entire concentration range). So far, nitrogen cannot be measured directly in this context.
  • A1 relates to a method and a device for testing the tightness of components.
  • a component with an inner, closed volume is used, in which a pressure difference is first generated between the closed volume and a volume surrounding the component, so that a first pressure prevails in the closed volume and a second pressure prevails in the surrounding volume.
  • the number of molecules of a gas is generally determined in the volume in which the lower pressure prevails. Thereafter, a predetermined period of time elapses. A number of molecules is then measured by means of Raman spectroscopy in the volume in which the lower pressure prevailed, and the measured number of molecules is compared with the number of molecules determined before the time period has elapsed.
  • an online or in-situ measuring device for a concentration measurement and a quantitative concentration evaluation of a gas or a gas mixture by means of Raman spectroscopy is proposed, with at least one gas measurement room for the gas or the gas mixture, which has one or more optical access points and one or more has optical outputs, this comprising a high-power laser, in particular a laser diode, which illuminates the gas or the gas mixture in a focused manner in at least one measurement space in the visual spectral range and Raman scattered light from the focused illuminated gas or gas mixture through a physical Raman scattered light intensity of the Raman Scattered light-amplifying optical system with filters and aperture supplies a spectral analysis unit.
  • a high-power laser in particular a laser diode
  • a concentration measurement in particular of nitrogen and other gases, can be made available with a compact and mobile measurement or sensor system as an in-situ measurement based on Raman spectroscopy.
  • the online or in-situ measuring device is characterized in that the spectral analysis unit is designed as a spectrograph with at least one light detector.
  • the online or in-situ measuring device is provided with a spectrograph which, as a dispersing element, has at least one Grating and/or at least one prism, the light detector being a CCD camera, comprising a CMOS element and/or having receiver diodes at the positions of the Raman scattered light wavelengths of the illuminated gas or the illuminated gas mixture.
  • a spectrograph which, as a dispersing element, has at least one Grating and/or at least one prism
  • the light detector being a CCD camera, comprising a CMOS element and/or having receiver diodes at the positions of the Raman scattered light wavelengths of the illuminated gas or the illuminated gas mixture.
  • this is provided with at least one further gas measuring room in addition to the gas measuring room, which contains a gas or a gas mixture with a known gas concentration and serves as a calibration cell.
  • laser radiation from the gas measurement room and/or the further gas measurement room is absorbed within a radiation absorber to avoid interference.
  • the invention relates to a method for measuring a concentration and/or a quantitative evaluation of the concentration of a gas or a gas mixture by means of Raman spectroscopy and a measuring device, with at least the following method steps being carried out: a) Focused illumination of the gas or the gas mixture in a gas measurement room and/or in a further gas measurement room by means of at least one laser diode in the visible spectral range, b) guiding the laser beam out of the gas measurement room and/or the further gas measurement room into a radiation absorber to avoid interference and c) recording Raman scattered light with a Raman scattering intensity intensifying optics from the focused illuminated gas measurement room and feeding the Raman scattered light to a spectral analysis unit.
  • a gas or gases of a gas mixture is measured in different pressure and temperature ranges in a gas flow in the bypass or through at least one optical access to the gas measurement room.
  • the concentration of the gas or the gases in the gas mixture can be determined by evaluating the Raman spectra in the spectral analysis unit.
  • the laser beam coupled out of the gas measurement room is coupled into another gas measurement room containing a gas or a gas mixture of known gas concentration.
  • the further gas measurement space advantageously serves as a calibration option in the form of a calibration cell.
  • Raman scattered light is guided from the additional gas measurement chamber, which serves as a calibration cell, to the Raman scattering intensity-amplifying optics and from there to the spectral analysis unit.
  • a measurement of Raman scattered light from the gas measurement room or a parallel measurement of Raman scattered light from the gas measurement room and the further gas measurement room serving as a calibration cell takes place in the spectral analysis unit.
  • the method proposed according to the invention therefore makes it possible to separate Raman scattered light in the spectral analysis unit for parallel measurement in the light detector given the same gases or gas mixtures present in the gas measurement spaces.
  • the online or in-situ measuring device proposed according to the invention and/or the method for measuring the concentration of gases or gas mixtures can be used as a calibration system for fuel cells, fuel cell systems, gas sensors and the like. Further possible uses of the method proposed according to the invention and those proposed according to the invention Online or in-situ measuring devices are in the field of determining the gas composition, for example in gas networks, monitoring and process management in the production of hydrogen, in particular in electrolysers and other devices set up for this purpose. Furthermore, it can be used in the quality analysis of the gas from biogas plants, as well as in hydrogen filling stations and in the context of monitoring or air pollution control in animal breeding or animal husbandry.
  • the solution proposed according to the invention in the referencing/calibration unit for gas mixture devices or in test benches.
  • the use in desulfurization plants should also be mentioned, as well as the monitoring of greenhouse gases such as CO2, ammonia or SF 6 .
  • Another possible use of the solution proposed according to the invention is in the context of exhaust gas analysis in workshops, at Dekra, TÜV or other testing institutions.
  • the method proposed according to the invention can be used to monitor contamination to protect against harmful gases in processes with high-purity gases or also within the scope of inerting processes.
  • a use arises when using sensors for gas control and regulation in reforming processes as well as in the monitoring of the growth state or the maturing process in the food industry, for example in brewing.
  • Raman spectroscopy an established measurement method for measuring the concentration of liquids or solids, can be expanded to include the measurement of gases.
  • a quantitative concentration evaluation can be provided by the solution proposed according to the invention.
  • gases have a significantly lower density than solids and liquids (usually a factor of 800 lower) and that the Raman effect is therefore less pronounced when measuring gases.
  • the highly sensitive spectrometers and CCD cameras required today could not be used as online or in situ measurement systems directly at the location where the measurement gas is present.
  • a measuring device can be provided as an online or in-situ application, in which a laser diode is used as the radiation source comes, which is operated in the visual spectral range, preferably in the blue spectral range.
  • all essential gases in particular nitrogen
  • Oxygen, nitrogen and hydrogen can be measured in parallel; in particular, this does not require a large number of gas analysis sensors.
  • the particle concentration is determined since the Raman signal is directly proportional to N/V, i.e. H. to the number of particles in the volume. There is no indirect determination, as is the case, for example, with the determination of the hydrogen concentration via sensors using a thermal conductivity measurement used there.
  • the detection takes place online and in situ; this means that no sample extraction with subsequent, partially spatially separate offline analysis is required, as is used in the field of gas chromatography.
  • Raman spectroscopy is a way of measuring the inert gas nitrogen directly and physically.
  • the Raman measurement signal is strictly linear to the molecule concentration (Raman signal ⁇ N/V); the individual gas Raman lines are in a constant signal ratio among each other, which means that gas concentrations are determined over a complete measuring range, i.e.
  • a further gas measurement room can be used in addition to a gas measurement room, which serves as a calibration cell.
  • the laser beam decoupled from the actual gas measurement room is guided with suitable optics into another gas cell, in which there is a known gas concentration, preferably 100% nitrogen, and then further fed to a beam absorber.
  • the Raman scattered light from the calibration cell is also guided into the Raman intensity-enhancing optics and onto the light detector and measured.
  • a gas that is not in the gas flow can be measured in parallel.
  • signal fluctuations of the light detector can also be detected in addition to laser power fluctuations. From the measurement of the Raman scattered light from the calibration cell, the signals originating from the Raman scattered light from the measurement room can be recalibrated.
  • the Raman scattered light signals obtained in each case can be separated for parallel detection of the signals in the light detector.
  • the main types of gas have different Raman bands, which, however, do not influence each other. This means that there are no cross-sensitivities, such as occur with gas sensors For example, aromatic vapors in the hydrogen sensor significantly affect the measurement signal. Furthermore, there are no signal overlaps and thus no gas type separation, as is the case with gas chromatography or in infrared absorption spectroscopy.
  • the water vapor Raman band is not in the measuring range of other essential gases, ie the occurrence of moisture essentially does not affect the gas concentration measurement. Rather, the humidity can also be measured directly and thus allows a correction of the measured molecular concentration of the non-water vapor gas components.
  • a gas sample is also not influenced by taking a sample, since a direct measurement is carried out within the gas sample or the gas flow volume. This makes it possible to take measurements in different gas pressure and temperature ranges.
  • the method proposed according to the invention has the advantage that molecular concentrations are determined directly from the gas sample or the gas flow/volume. It is therefore not necessary to take a sample with a glass fiber and to increase the Raman scattering intensity of gases, which is already physically low, by means of "cavity enhancement" in order to obtain a measurement signal that can be evaluated at all.
  • FIG. 1 shows a sketch of the structure of the online and in-situ measuring device proposed according to the invention
  • FIG. 3 shows an expanded structure of the online and in-situ measuring device proposed according to the invention with a calibration cell
  • FIG. 4 shows a representation of the measurable essential gases.
  • Figure 1 shows a schematic of the structure of an online and in-situ measuring device 10 proposed according to the invention.
  • This comprises a high-power laser 14 as radiation source 12, in particular at least one laser diode 16. This is operated within the visible spectral range, in particular within the blue spectral range.
  • the radiation source 12 according to the illustration in FIG.
  • a gas 22 or a gas mixture 24 is contained in the gas measurement space 20 .
  • the gas measurement space 20 can be part of a bypass line 26 through which a gas stream 66 flows.
  • the gas measurement room 20 includes at least one optical access 28 and at least one optical output 30 for the laser radiation generated by the at least one laser diode 16 .
  • the illustration according to FIG. 1 also shows that laser radiation exiting from the at least one optical output 30 reaches a radiation absorber 32 in order to avoid the effects of scattered light.
  • Raman scattered light 34 arrives from the gas measurement space 20 in a Raman scattering intensity-intensifying optics 36 which are part of a spectral analysis unit 38 .
  • the spectral analysis unit 38 also includes a light detector 48, for example in the form of a CCD camera 50 or a CMOS component and/or a number of receiver diodes.
  • receiver diodes are arranged inside the light detector 48 at the points of the Raman wavelengths of the gas(es) to be examined.
  • gases 22 or gas mixtures 24 can also be measured in different pressure and temperature ranges. The concentration is then determined directly by evaluating the detected Raman spectra 70, 72, as shown in FIGS. 2.1 and 2.2.
  • the gas 22 to be measured is illuminated with the laser diode 16, preferably in the visible blue spectral range, by focusing optics 18.
  • the Raman scattered light 34 is recorded by the Raman scattering intensity-intensifying optics 36 and fed to the spectral analysis unit 38 .
  • Figures 2.1 and 2.2 show Raman spectra for air (O2/N2) (cf. item 70).
  • Figure 2.2. 7 shows a Raman spectrum 72 for a forming gas composed of N2 (95%) and H2 (proportional to N/V 5% by volume).
  • the signal N/V for O2 is proportional to 21% by volume and in relation to N2 the signal N/V is proportional to 78% by volume. %.
  • FIG. 3 shows an embodiment variant of the online and in-situ measuring device 10 already described in connection with FIG.
  • the difference between the embodiment variants shown in FIG. 1 and FIG. 3 in relation to FIG. 3 is that in the structure of the online and in-situ measuring device 10 shown in FIG. 3, an additional further gas measurement space 56 is provided.
  • This preferably serves as a calibration cell 58 and includes a known gas concentration 60, such as 100% N2.
  • a known gas concentration 60 such as 100% N2.
  • the hole power laser 14 in the form of the laser diode 16 is also provided as the radiation source 12 in the variant of the online and in-situ measuring device 10 proposed according to the invention according to FIG.
  • the focusing optics 18 after which the laser beam is coupled into the gas measurement space 20 at at least one optical access 28 .
  • the gas 22 to be illuminated in a focused manner or the gas mixture 24 which passes through the bypass 26 , for example in the form of the gas stream 66 , is located.
  • the above-mentioned further gas measurement space 56 comes into play, into which the laser beam is coupled.
  • this further gas measurement space 56 which serves as a calibration cell 58, there is a known gas concentration 60, for example 100% N2.
  • the laser radiation now reaches the radiation absorber 32 to avoid interference analogous to the structure of the online and in-situ measuring device 10 according to Figure 1.
  • a parallel measurement 64 can be carried out with the structure according to FIG.
  • Raman scattered light 34 from gas measurement chamber 20 on the one hand and Raman scattered light 34 from further gas measurement chamber 56, which serves as calibration cell 58, on the other hand are fed in parallel to Raman scattered light amplifying optics 36.
  • the Raman scattered light amplifying optics 36 therefore receive two scattered light components which can be measured parallel to one another within the Raman scattering intensity amplifying optics 36 .
  • the Raman scattered light 62 from the further gas measurement space 56, which serves as a calibration cell 58, is also guided by means of the parallel measurement 64 into the Raman scattered light intensity-intensifying optics 36 and reaches the light detector 48 in the form of a CCD camera of a CMOS component or a number of receiver diodes.
  • the parallel measurement 64 can also be measured directly from a gas 22 that is not in the gas flow 66 . Consequently In addition to laser power fluctuations, signal fluctuations of the light detector 48 are also detected.
  • the Raman scattered light measurements can then be recalibrated accordingly as part of the evaluation of the Raman scattered light 34 from the gas measurement space 20.
  • a self-calibration can also be created in the event that the same gases are present in the gas measurement spaces 20, 56 and a separation within the scope of the Raman scattered light amplifying optics 36 68 of the Raman scattered light components, which originate from the gas measurement space 20 and from the further gas measurement space 56, is carried out.
  • These can be detected in parallel as part of a parallel detection 64 in the light detector 48, which can be a CCD camera, for example.
  • the illustration according to FIG. 4 shows the essential gases according to DIN EN 17124 that can be measured using the online and in-situ measuring device 10 within the scope of the method proposed according to the invention. These can involve the evaluation - in addition to O2 and N2 from the air - of CO2, CO, H2O, CH4. Sulfur dioxide (SO2), hydrogen sulfide (H2S) and hydrogen (H2) are also included.
  • SO2 sulfur dioxide
  • H2S hydrogen sulfide
  • H2 hydrogen
  • the online and in-situ measuring device 10 can be used to measure the concentration of gases with a compact mobile measuring or sensor system as part of an in-situ measurement based on Raman spectroscopy.
  • At least one laser diode 16 is preferably used in the concentration measurement, which illuminates the corresponding gas 22 or the corresponding gas mixture 24 in the visible, preferably blue, spectral range.
  • a correspondingly focusing optics 18 is used to focus the laser beam.
  • the laser beam is guided out of the gas measurement chamber 20 again via the at least one optical access 28 and reaches the radiation absorber 32 either directly or with the further measurement chamber 56 being connected into the latter.
  • the spectrograph 40 can contain one or more gratings or one or more prisms or a combination of these components.
  • the light detector 48 preferably includes a CCD camera, a CMOS component or corresponding receiver diodes that are placed at the points of the Raman wavelengths or the gases to be examined.
  • gases 22 or gas mixtures 24 can also be measured in different pressure and temperature ranges. What both online and in-situ measuring devices 10 have in common is that they can be used to evaluate the detected Raman spectra, so that they can be expanded to include their use in measuring the concentration of liquids or solids on gases, in particular quantitative concentration evaluations.
  • the Raman scattering intensity-enhancing optics 36 used make it possible to avoid the use of complex laboratory test systems with solid bodies or gas lasers and highly sensitive spectrometers, and there is a possibility for online and in-situ measurement directly at the location where the gas to be measured 22 or the to be measured gas mixture 24 can be achieved.
  • Hydrogen concentration error measurements due to Disturbing F O adsorption, for example on metallic surfaces, can be avoided due to the design, since glass is used and non-adsorbing metals are used.
  • gas concentrations can be determined over the entire measuring range and not over partial ranges of, for example, 0% to 20%, as is more common when using classic gas sensors. A sensor contamination is avoided, so that the contamination and downtimes do not occur due to the principle and total failures due to occurring defects are not to be feared. Large concentration differences and the associated signal differences are adjusted by varying the detection dynamics of the light detector. The sensitivity to small gas concentrations can be significantly improved simply by increasing the acquisition time.
  • the solution proposed according to the invention can rule out mutual interference due to the different Raman bands, so that no cross-sensitivities as with gas sensors (occurrence of aromatic vapors) or superimposed signals through gas type separation would have to be taken into account, thus resulting in a significantly simplified evaluation path results.
  • the hhO-Raman band is in the measuring range of the other essential gases, ie humidity either does not influence the gas concentration measurement at all or only insignificantly, but is measured directly and thus allows a correction of measured molecular concentrations of the non-water vapor gas components. If moist gas with F O vapor components is measured in the classic way, without providing a moisture sensor, the moisture content changes the gas particle composition. This means that when the air is humid, the particle density (N/V) of nitrogen and oxygen is reduced by the proportion that the water molecules occupy. In the solution according to the invention, the Raman lines corresponding to IN and O2 would then be smaller, but the FhO Raman signal would appear instead and a moisture correction could be carried out.
  • the solution proposed according to the invention thus measures the absolute humidity directly.
  • the classic measuring methods would have to measure the moisture in a suitable way, which can not always be trivial in individual cases, for example if the sample experiences pressure and temperature changes during sampling and/or in an analysis detector and the moisture changes as a result.
  • Humidity sensors measure the relative and not the absolute humidity, which in turn would have to be calibrated or calculated more or less laboriously.
  • the humidity is also measured directly and absolutely and allows a correction of the measured non-

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Online- oder In-situ-Messeinrichtung (10) für eine Konzentrationsmessung und/oder eine quantitative Konzentrationsauswertung eines Gases (22) oder eines Gasgemischs (24) mittels Raman-Spektroskopie. Die Messeinrichtung (10) umfasst mindestens einen Gasvermessungsraum (20, 56) für das Gas (22) oder das Gasgemisch (24), der einen oder mehrere optische Zugänge (28) und einen oder mehrere optische Ausgänge (30) umfasst. Es ist ein Hochleistungslaser (14), insbesondere eine Laserdiode (16) vorgesehen, welche das Gas (22) oder das Gasgemisch (24) in dem mindestens einen Gasvermessungsraum (20, 56) im visuellen Spektralbereich fokussiert beleuchtet und Raman-Streulicht (34, 62) aus dem fokussiert beleuchteten Gas (22) oder Gasgemisch (24) durch ein die physikalische Raman-Streuintensität des Raman-Streulichts (34, 62) verstärkendes optisches System (36) mit Filtern und Blenden einer spektralen Analyseeinheit (38) zuführt. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zur Konzentrationsmessung eines Gases (22) oder Gasgemischs (24) sowie auf die Verwendung der Messeinrichtung (10) und des Verfahrens.

Description

Online- oder In-situ- Messeinrichtung für eine Konzentrationsmessung eines
Gases
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Online- oder In-situ-Messeinrichtung für eine Konzentrationsmessung und/oder eine quantitative Konzentrationsauswertung eines Gases oder eines Gasgemischs mittels Raman-Spektroskopie, mit mindestens einem Gasvermessungsraum für das Gas oder das Gasgemisch.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Messung einer Konzentration und/oder eine quantitative Konzentrationsauswertung eines Gases oder eines Gasgemischs mittels Raman-Spektroskopie sowie auf die Verwendung der Online- oder In-situ-Messeinrichtung und/oder des Verfahrens.
Stand der Technik
In der Brennstoffzellentechnik und den dazu benötigten Gasversorgungsnetzen, zum Beispiel Fern- und Verteilungsnetze und Gasübergabestellen, wie beispielsweise Tankstellen (Erdgas-) Hausanschlüssen, Entschwefelungsanlagen, als auch bei den bisherigen Gasversorgungsnetzen wie Erdgas, CNG sowie bei der Gaserzeugung bei Biogasanlagen, bei der Erdgasgewinnung und -Verbrennung ist die Kenntnis der Gaskonzentration zur Qualitätsbewertung und für Folgeprozesse, wie beispielsweise Energiebrennwert-, Steuerabgabenberechnungen, gesetzlich erforderte Nachweise und vieles andere mehr sehr wesentlich. Zu nennen sind hier die Gaskonzentrationsanteile von Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und (Klima-)Schadgasen wie Kohlendioxid, ferner die Bestandteile von Kohlenwasserstoffen (Acetylen, Ethylen, Ethan, Propen, Propan, Methan, n- Butan etc.), Schwefelverbindungen, wie beispielsweise Schwefeldioxid und Wasserdämpfen. Typischerweise erfolgt derzeit zum Beispiel an den Gasnetzen und Übergabestellen die Konzentrationsbestimmung durch Probeziehung mit anschließender, eher aufwändiger gaschromatographischer Analyse. Ferner und vor allem an den Brennstoffzellensystemen werden Gasanteile von zum Beispiel Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid derzeit nur mittels verschiedener, d. h. für jede Gasart verfügbarer Sensoren und vor allem nur in gewissen Konzentrationsbereichen (kein Sensor reicht für den gesamten Konzentrationsbereich) bestimmt. Stickstoff kann in diesem Zusammenhang bisher nicht direkt vermessen werden.
DE 102009 026 744 Al hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung von Bauteilen zum Gegenstand. Es wird ein Bauteil mit einem inneren, abgeschlossenen Volumen eingesetzt, bei dem zunächst ein Druckunterschied zwischen dem abgeschlossenen Volumen und einem das Bauteil umgebenden Volumen erzeugt wird, so dass im abgeschlossenen Volumen ein erster Druck und im umgebenden Volumen ein zweiter Druck herrscht. Es erfolgt eine Bestimmung einer Molekülanzahl eines Gases im Allgemeinen in dem Volumen, in welchem der geringere Druck herrscht. Danach verstreicht eine vorbestimmte Zeitspanne. Anschließend erfolgt eine Messung einer Molekülzahl mittels Raman-Spektroskopie in dem Volumen, in welchem der geringere Druck geherrscht hat, sowie ein Vergleich der gemessenen Molekülanzahl mit der vor Ablauf der Zeitspanne bestimmten Molekülanzahl.
Aus der Publikation „Effizienzsteigerung und Umweltschutz beim Betrieb von Biogasanlagen mittels miniaturisierter Multigas-Sensorik (BioSens)“, LASOS Lasertechnik GmbH & Leibniz Institut für Photonische Technologie (IPT), Jena, 2016, wird ein Resonanzresonator zur Raman-Signalerhöhung zur Gasdetektion bei Biogasanlagen vorgeschlagen (mko_Abschlussbericht BioSens_b_mko_1612212c (dbu.de)).
Aus der Veröffentlichung „A non-dispersive Approach for a Raman Gas Sensor“, L. Cocola, G. Tondello, L. Poletto, SN Applied Sciences, 2020, 2:904- https://doi.org/10.1007/s42452-020-2688-l/Springer Nature Journal, wird zur Überwindung des eine geringe Intensität aufweisenden Raman-Gassignals vorgeschlagen, einen klassischen leistungsstarken und damit relativ teuren Festkörperlaser einzusetzen. (NDY AG 532 nm). Gemäß dieser Veröffentlichung wird eine Messung von Sauerstoff und Stickstoff in einem Glasbehälter diskutiert. Das Raman-Signal ist beziehungsweise bleibt streng linear zur Molekülkonzentration und erlaubt eine quantitative Messsignalwiederholbarkeit < 1 % in der Standardabweichung des Messsignals über den gesamten Molekülkonzentrationsbereich. Der Nachweis der Linearität über den Konzentrationsbereich geht aus „A. Stratmann und G. Schweiger, „Spectroscopy“, Fachbuchbeitrag: Chapter 1.4 in „Supercritical Fluids as Solvents and Reaction Media (ISBN 0-444-51574-7), 2004, 85-120, hervor.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Online- oder In-situ-Messeinrichtung für eine Konzentrationsmessung und eine quantitative Konzentrationsauswertung eines Gases oder eines Gasgemischs mittels Raman-Spektroskopie vorgeschlagen, mit mindestens einem Gasvermessungsraum für das Gas oder das Gasgemisch, der ein oder mehrere optische Zugänge und ein oder mehrere optische Ausgänge aufweist, wobei dieser einen Hochleistungslaser, insbesondere eine Laserdiode umfasst, welche das Gas oder das Gasgemisch in mindestens einem Vermessungsraum im visuellen Spektralbereich fokussiert beleuchtet und Raman-Streulicht aus dem fokussiert beleuchteten Gas oder Gasgemisch durch ein die physikalische Raman-Streulichtintensität des Raman-Streulicht- verstärkenden optischen Systems mit Filtern und Blenden einer spektralen Analyseeinheit zuführt.
Dadurch kann eine Konzentrationsvermessung, insbesondere von Stickstoff und weiterer Gase, mit einem kompakten und mobilen Mess- beziehungsweise Sensorsystem als In-situ-Messung, basierend auf Raman-Spektroskopie zur Verfügung gestellt werden.
In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist die Online- oder In-situ-Messeinrichtung dadurch charakterisiert, dass die Spektralanalyseeinheit als Spektrograph mit mindestens einem Lichtdetektor ausgeführt ist.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist die Online- oder In-situ-Messeinrichtung mit einem Spektrographen versehen, welcher als dispergierendes Element mindestens ein Gitter und/oder mindestens ein Prisma umfasst, wobei der Lichtdetektor als CCD-Kamera ausgeführt sein kann, ein CMOS-Element umfasst und/oder Empfänger-Dioden an den Stellen der Raman-Streulichtwellenlängen des beleuchteten Gases oder des beleuchteten Gasgemischs aufweist.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Online- oder In-situ-Messeinrichtung ist diese neben dem Gasvermessungsraum mit mindestens einem weiteren Gasvermessungsraum versehen, der ein Gas oder ein Gasgemisch mit bekannter Gaskonzentration enthält und als Kalibrierzelle dient.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Online- oder In-situ-Messeinrichtung wird Laserstrahlung aus dem Gasvermessungsraum und/oder dem weiteren Gasvermessungsraum zur Vermeidung eines Störeinflusses innerhalb eines Strahlungsabsorbers absorbiert.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Messung einer Konzentration und/oder einer quantitativen Konzentrationsauswertung eines Gases oder eines Gasgemischs mittels Raman-Spektroskopie und einer Messeinrichtung, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Fokussierte Beleuchtung des Gases oder des Gasgemischs in einem Gasvermessungsraum und/oder in einem weiteren Gasvermessungsraum mittels mindestens einer Laserdiode im visuellen Spektralbereich, b) Herausleiten des Laserstrahls zur Störeinflussvermeidung aus dem Gasvermessungsraum und/oder dem weiteren Gasvermessungsraum in einen Strahlungsabsorber und c) Aufnehmen von Raman-Streulicht mit einer Raman-Streuintensität- verstärkenden Optik aus dem fokussiert beleuchteten Gasvermessungsraum und Zuführen des Raman-Streulichts zu einer spektralen Analyseeinheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird ein Gas oder Gase eines Gasgemischs in verschiedenen Druck- und Temperaturbereichen in einer Gasströmung im Bypass oder durch mindestens einen optischen Zugang zum Gasvermessungsraum vermessen. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann gemäß Verfahrensschritt c) eine Konzentrationsbestimmung des Gases oder der Gase des Gasgemischs durch Auswertung der Raman-Spektren in der spektralen Analyseeinheit vorgenommen werden.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird vor Durchführung des Verfahrensschritts b) der aus dem Gasvermessungsraum ausgekoppelte Laserstrahl in einen weiteren Gasvermessungsraum eingekoppelt, in dem ein Gas oder ein Gasgemisch bekannter Gaskonzentration enthalten ist. Dabei dient der weitere Gasvermessungsraum in vorteilhafter Weise als eine Kalibriermöglichkeit in Gestalt einer Kalibrierzelle.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird gemäß der Verfahrensvariante aus dem weiteren Gasvermessungsraum, der als Kalibrierzelle dient, Raman-Streulicht zu der die Raman-Streuintensität- verstärkenden Optik geführt und von dort der spektralen Analyseeinheit zugeführt.
Bei der Ausführungsvariante des Verfahrens erfolgt in der spektralen Analyseeinheit eine Vermessung von Raman-Streulicht aus dem Gasvermessungsraum oder eine Parallelvermessung von Raman-Streulicht aus dem Gasvermessungsraum und dem weiteren, als Kalibrierzelle dienenden weiteren Gasvermessungsraum.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren besteht demnach die Möglichkeit, bei gleichen in den Gasvermessungsräumen vorhandenen Gasen oder Gasgemischen eine Trennung von Raman-Streulicht in der spektralen Analyseeinheit zur Parallelvermessung im Lichtdetektor vorzunehmen.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Online- oder In-situ-Messeinrichtung und/oder das Verfahren zur Konzentrationsmessung von Gasen oder Gasgemischen kann als Kalibrierungssystem für Brennstoffzellen, Brennstoffzellensysteme, Gassensoren und dergleichen mehr Verwendung finden. Weitere Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens sowie der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Online- oder In-situ-Messeinrichtung liegen auf dem Gebiet der Ermittlung der Gaszusammensetzung, beispielsweise in Gasnetzen, der Überwachung und Prozessführung bei der Herstellung von Wasserstoff, insbesondere bei Elektrolyseuren und weiteren, hierzu eingerichteten Vorrichtungen. Ferner ist eine Verwendung im Rahmen der Qualitätsanalyse des Gases von Biogasanlagen möglich, ebenso wie der Einsatz bei Wasserstofftankstellen sowie im Rahmen der Überwachung oder der Luftreinhaltung bei der Tierzucht oder der Tierhaltung. Des Weiteren liegen Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in der Referenzier-/Kalibriereinheit für Gasgemischvorrichtungen oder bei Prüfständen. Ferner ist die Verwendung bei Entschwefelungsanlagen zu nennen ebenso wie das Monitoring von Treibhausgasen wie CO2, Ammoniak oder SF6. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt im Rahmen der Abgasanalyse in Werkstätten, bei Dekra, TÜV oder anderen Prüfinstitutionen. Des Weiteren ergeben sich Verwendungsmöglichkeiten für die Überwachung und Steuerung von Verbrennungsprozessen mobiler oder stationärer Art. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann eine Kontaminationsüberwachung zum Schutz vor Schadgasen in Prozessen mit hochreinen Gasen oder auch im Rahmen von Inertiierungsprozessen erreicht werden. Eine Verwendung ergibt sich beim Einsatz von Sensoren zur Gassteuerung und Regelung in Reformierungsprozessen sowie im Monitoring des Wachstumszustandes beziehungsweise des Reifeprozesses in der Nahrungsmittelindustrie, beispielsweise im Brauwesen.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann die Raman- Spektroskopie als etablierte Messmethode zur Konzentrationsvermessung von Flüssigkeiten oder Festkörpern auf die Vermessung von Gasen erweitert werden. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine quantitative Konzentrationsauswertung zur Verfügung gestellt werden. Es ist zu bedenken, dass Gase eine wesentlich geringere Dichte als Festkörper und Flüssigkeiten aufweisen (in der Regel Faktor 800 geringer) und demzufolge ein geringer ausgeprägter Raman-Effekt bei der Vermessung von Gasen vorliegt. Heute erforderliche, hochsensitive Spektrometer und CCD-Kameras konnten nicht als Online- oder In -situ -Messsysteme direkt am Ort des Vorliegens des Messgases eingesetzt werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine Messeinrichtung als Online- oder In-situ-Applikation bereitgestellt werden, bei der als Strahlungsquelle eine Laserdiode zum Einsatz kommt, die im visuellen Spektralbereich, bevorzugt im blauen Spektralbereich betrieben wird. Dadurch kann einerseits ein kompakter und mobiler Aufbau und andererseits überhaupt die Vermessung von Wasserstoff-Raman-Linien erreicht werden.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können alle wesentlichen Gase, insbesondere Stickstoff, parallel vermessen werden. Es können Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff parallel vermessen werden; insbesondere ist hierzu keine Vielzahl von Gasanalysesensoren erforderlich. Es wird die Teilchenkonzentration ermittelt, da das Raman-Signal direkt proportional zu N/V, d. h. zur Teilchenanzahl im Volumen ist. Es erfolgt keine indirekte Bestimmung, wie beispielsweise bei der Wasserstoffkonzentrationsbestimmung über Sensoren über eine dort angewandte Wärmeleitfähigkeitsmessung.
Die Detektion erfolgt erfindungsgemäß online und in situ; dies bedeutet, dass keine Probenextraktion mit anschließender, teilweise räumlich getrennter Offline- Analyse erforderlich ist, wie sie im Bereich der Gaschromatographie angewendet wird. Da Stickstoff nicht mit Infrarotspektroskopie detektiert werden kann, stellt die Raman-Spektroskopie eine Möglichkeit dar, direkt physikalisch das Inertgas Stickstoff zu vermessen. Es werden in vorteilhafter Weise Wasserstoffkonzentrationsfehlmessungen aufgrund störender h - Oberflächenadsorption an zum Beispiel metallischen Oberflächen aufbaubedingt vermieden. Das Raman-Messsignal ist prinzipbedingt streng linear zur Molekülkonzentration (Raman-Signal ~N/V); die einzelnen Gas-Raman-Linien untereinander sind in einem konstanten Signalverhältnis, was bedeutet, dass Gaskonzentrationen über einen vollständigen Messbereich bestimmt werden, also nicht nur über Teilbereiche von beispielsweise 0 % bis 20 %, wie es bei den klassischen Gassensoren in der Regel üblich ist. Ferner ist bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Online- und In-situ-Messeinrichtung eine Kalibrierung nur an einer Gaskonzentration eines Gases erforderlich, so zum Beispiel direkt an der Umgebungsluft mit 78 Vol.-% durchzuführen. Es sind also weder die sonst übliche Zweipunktkalibrierung bei Sensoren im linearen beziehungsweise korrekterweise im ausreichend linearen Teilbereich, noch eine Mehrpunktkalibrierung bei den üblicherweise nicht-linearen Sensoren, zum Beispiel durch eine logarithmische Kalibrierkurve bei Wasserstoffsensoren noch anhand einer Sondergasmischung vorzunehmen. Das Raman-Signal ist direkt proportional zur Laserleistung. Für sehr hohe quantitative Messgenauigkeiten, insbesondere in kleinen Konzentrationsbereichen, kann neben einem Gasvermessungsraum ein weiterer Gasvermessungsraum zum Einsatz kommen, der als Kalibrierzelle dient. Der aus dem eigentlichen Gasvermessungsraum ausgekoppelte Laserstrahl wird mit einer geeigneten Optik in eine weitere Gaszelle geleitet, in der eine bekannte Gaskonzentration, vorzugsweise 100 % Stickstoff vorliegt, und dann weiter einem Strahlabsorber zugeführt. Das Raman- Streulicht aus der Kalibrierzelle wird zusätzlich in die Raman-Intensität- verstärkende Optik und auf den Lichtdetektor geleitet und vermessen. Hier kann je nach Anwendungsfall eine parallele Vermessung eines nicht im Gasstrom befindlichen Gases erfolgen.
Bei dieser Abwandlung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens können neben Laserleistungsschwankungen auch Signalschwankungen des Lichtdetektors erfasst werden. Aus der Vermessung des Raman-Streulichts aus der Kalibrierzelle lassen sich die Signale, die vom Raman-Streulicht aus dem Vermessungsraum stammen, nachkalibrieren.
Bei einer ebenfalls möglichen Selbstkalibrierung kann für den Fall, dass in der Kalibrierzelle sowie im eigentlichen Gasvermessungsraum gleiche Gase vorliegen, eine Trennung der jeweils erhaltenen Raman-Streulichtsignale zur parallelen Detektion der Signale im Lichtdetektor vorgenommen werden.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung tritt prinzipbedingt keine Sensorkontamination auf. Dies bedeutet, dass die Kontaminations- und damit Ausfallzeiten und gegebenenfalls sogar Totalausfälle durch Defekt unterbleiben. Große Konzentrationsunterschiede und damit einhergehende Messsignalunterschiede werden durch eine Variation der Detektionszeit der Dynamik des Lichtdetektors angepasst. Die Sensitivität für kleine Gaskonzentrationen kann durch Verlängern der Aufnahmezeit wesentlich verbessert werden.
Die wesentlichen Gasarten haben unterschiedliche Raman-Banden, die sich jedoch gegenseitig nicht beeinflussen. Dies bedeutet, dass keine Querempfindlichkeiten, wie zum Beispiel bei Gassensoren auftreten, so beeinflussen zum Beispiel Aromatendämpfe beim Wasserstoffsensor das Messsignal signifikant. Des Weiteren treten keine Signalüberlagerungen auf und somit keine Gasartentrennung, wie auf dem Wege der Gaschromatographie oder in der Infrarotabsorptionsspektroskopie. So liegt die Wasserdampf-Raman-Bande nicht im Messbereich anderer wesentlicher Gase, d. h., dass ein Auftreten von Feuchte die Gaskonzentrationsmessung im Wesentlichen nicht beeinflusst. Vielmehr kann die Feuchte direkt mit vermessen werden und erlaubt damit eine Korrektur der vermessenen Molekülkonzentration der Nicht-Wasserdampf- Gasbestandteile.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung tritt auch keine Beeinflussung einer Gasprobe durch eine Probenentnahme auf, da eine direkte Vermessung innerhalb der Gasprobe beziehungsweise dem Gasstromvolumen vorgenommen wird. Damit besteht die Möglichkeit, in verschiedenen Gasdruck- und Temperaturbereichen Messungen vorzunehmen. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren besteht im Gegensatz zu den angeführten Publikationen der Vorteil, dass Molekülkonzentrationen direkt aus der Gasprobe beziehungsweise dem Gasstrom/-volumen bestimmt werden. Es ist demnach nicht erforderlich, eine Probe mit einer Glasfaser zu entnehmen und die physikalisch ohnehin schon geringe Raman-Streuintensität von Gasen mittels „Cavity Enhancement“ zu erhöhen, um ein überhaupt auswertbares Messsignal zu erhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine skizzenhafte Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Online- und In-situ-Messeinrichtung,
Figuren 2.1 und 2.2 Raman-Spektren für Luft und ein Formiergas, Figur 3 einen erweiterten Aufbau der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Online- und In-situ-Messeinrichtung mit Kalibrierzelle und
Figur 4 eine Darstellung der messbaren wesentlichen Gase.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Online- und In-situ-Messeinrichtung 10. Diese umfasst als Strahlungsquelle 12 einen Hochleistungslaser 14, insbesondere mindestens eine Laserdiode 16. Diese wird innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, insbesondere innerhalb des blauen Spektralbereichs betrieben. Der Strahlungsquelle 12 gemäß der Darstellung in Figur 1 ist eine fokussierende Optik 18, die hier nur schematisch angedeutet ist, nachgeschaltet, die die Laserstrahlung, die durch die mindestens eine Laserdiode 16 erzeugt wird, auf einen Teil eines Gasvermessungsraums 20 fokussiert. Im Gasvermessungsraum 20 ist ein Gas 22 oder ein Gasgemisch 24 enthalten. Der Gasvermessungsraum 20 kann Teil einer Bypassleitung 26 sein, die von einem Gasstrom 66 durchströmt wird.
Der Gasvermessungsraum 20 umfasst mindestens einen optischen Zugang 28 sowie mindestens einen optischen Ausgang 30 für die durch die mindestens eine Laserdiode 16 erzeugte Laserstrahlung.
Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht des Weiteren hervor, dass aus dem mindestens einen optischen Ausgang 30 austretende Laserstrahlung in einen Strahlungsabsorber 32 gelangt, um Streulichteinflüsse zu vermeiden.
Aus dem Gasvermessungsraum 20 gelangt Raman-Streulicht 34 in eine Raman- Streuintensität-verstärkende Optik 36, die Teil einer spektralen Analyseeinheit 38 ist. Diese umfasst einen Spektrographen 40, der mindestens ein dispergierendes Element umfasst, welches beispielsweise als ein Gitter sowie mindestens ein Prisma ausgestaltet sein kann. Es können auch mehrere Gitter und mehrere Prismen vorgesehen sein sowie Kombinationen aus Gittern und Prismen. Die spektrale Analyseeinheit 38 umfasst daneben einen Lichtdetektor 48, beispielsweise in Gestalt einer CCD-Kamera 50 oder eines CMOS-Bauelements und/oder einer Anzahl von Empfängerdioden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass innerhalb des Lichtdetektors 48 Empfängerdioden an den Stellen der Raman-Wellenlängen des/der zu untersuchenden Gase/s angeordnet sind. Durch eine geeignete Ausführung des Bypasses 26 oder die Nutzung optischer Fenster im Gasvermessungsraum 20 können somit auch Gase 22 oder Gasgemische 24 in verschiedenen Druck- und Temperaturbereichen vermessen werden. Die Konzentrationsbestimmung erfolgt dann direkt durch Auswertung der detektierten Raman-Spektren 70, 72, wie sie in Figur 2.1 und 2.2 dargestellt sind.
Bei der in Figur 1 gestalteten Online- und In-situ-Messeinrichtung 10 wird das zu vermessende Gas 22 mit der Laserdiode 16 vorzugsweise im sichtbaren blauen Spektralbereich durch eine fokussierende Optik 18 fokussiert beleuchtet. Durch die Raman-Streuintensität-verstärkende Optik 36 wird das Raman-Streulicht 34 aufgenommen und der spektralen Analyseeinheit 38 zugeführt.
Den Figuren 2.1 und 2.2 sind Raman-Spektren für Luft (O2/N2) zu entnehmen (vgl. Position 70). In Figur 2.2. ist ein Raman-Spektrum 72 für ein Formiergas aus N2 (95 %) und H2 (proportional zu N/V 5 Vol.-%) wiedergegeben. Bei dem Raman-Spektrum 70 gemäß Figur 2.1 liegt die natürliche Zusammensetzung der Luft vor, hier ist das Signal N/V für O2 proportional zu 21 Vol.-% und in Bezug auf N2 ist das Signal N/V proportional zu 78 Vol.-%.
Der Darstellung gemäß Figur 3 ist eine Ausführungsvariante der im Zusammenhang mit Figur 1 bereits beschriebenen Online- und In-situ- Messeinrichtung 10 zu entnehmen. Der Unterschied der in Figur 1 und Figur 3 dargestellten Ausführungsvarianten liegt in Bezug auf Figur 3 darin, dass in dem in Figur 3 dargestellten Aufbau der Online- und In-situ-Messeinrichtung 10 ein zusätzlicher weiterer Gasvermessungsraum 56 vorgesehen ist. Dieser dient vorzugsweise als Kalibrierzelle 58 und umfasst eine bekannte Gaskonzentration 60, so zum Beispiel 100 % N2. Beim Aufbau gemäß Figur 3 tritt das aus dem Gasvermessungsraum 20 ausgekoppelte Laserlicht nicht unmittelbar in den Strahlungsabsorber 32 ein, sondern wird in einen dem Strahlungsabsorber 32 vorgeschalteten weiteren Gasvermessungsraum 56 eingekoppelt, der die Kalibrierzelle 58 darstellt.
Auch in der Variante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Online- und ln-situ- Messeinrichtung 10 gemäß Figur 3 ist als Strahlungsquelle 12 der Lochleistungslaser 14 in Gestalt der Laserdiode 16 vorgesehen. Diesem ist die fokussierende Optik 18 nachgeschaltet, nach deren Passage der Laserstrahl an mindestens einem optischen Zugang 28 in den Gasvermessungsraum 20 eingekoppelt wird. In diesem befindet sich das fokussiert zu beleuchtende Gas 22 beziehungsweise das Gasgemisch 24, welches den Bypass 26, beispielsweise in Form des Gasstroms 66, passiert. Nach Passage des Gasvermessungsraums 20 kommt der oben erwähnte, weitere Gasvermessungsraum 56 ins Spiel, in welchen der Laserstrahl eingekoppelt wird. In diesem weiteren Gasvermessungsraum 56, der als Kalibrierzelle 58 dient, befindet sich eine bekannte Gaskonzentration 60, so zum Beispiel 100 % N2. Von dem weiteren Gasvermessungsraum 56 aus gelangt die Laserstrahlung nun in den Strahlungsabsorber 32 zur Vermeidung von Störeinflüssen analog zum Aufbau der Online- und In-situ-Messeinrichtung 10 gemäß Figur 1.
Im Unterschied zur Ausführungsvariante der Online- und In-situ-Messeinrichtung 10 gemäß Figur 1 kann mit dem Aufbau nach Figur 3 eine Parallelvermessung 64 vorgenommen werden. Dazu werden der Raman-Streulicht-verstärkenden Optik 36 parallel jeweils Raman-Streulicht 34 aus dem Gasvermessungsraum 20 einerseits und Raman-Streulicht 34 aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56, der als Kalibrierzelle 58 dient, andererseits zugeführt. Mithin erhält die Raman- Streulicht-verstärkende Optik 36 zwei Streulichtanteile, die innerhalb der Raman- Streuintensität-verstärkenden Optik 36 parallel zueinander vermessen werden können. Das Raman-Streulicht 62 aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56, der als Kalibrierzelle 58 dient, wird zusätzlich mittels der Parallelvermessung 64 in die Raman-Streulichtintensität-verstärkende Optik 36 geleitet und gelangt auf den Lichtdetektor 48 in Gestalt einer CCD-Kamera eines CMOS-Bauteils oder einer Anzahl von Empfängerdioden.
Je nach Anwendungsfall kann zum Beispiel die Parallelvermessung 64 von einem nicht im Gasstrom 66 befindlichen Gas 22 direkt mit vermessen werden. Somit werden neben Laserleistungsschwankungen auch Signalschwankungen des Lichtdetektors 48 erfasst.
Aus der Vermessung des Raman-Streulichts 62 aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56 können dann die Raman-Streulichtmessungen im Rahmen der Auswertungen des Raman-Streulichts 34 aus dem Gasvermessungsraum 20 entsprechend nachkalibriert werden. Mit dem Aufbau der Online- und In-situ-Messeinrichtung 10 gemäß Figur 3 kann auch eine Selbstkalibrierung geschaffen werden, für den Fall, dass in den Gasvermessungsräumen 20, 56 gleiche Gase vorliegen und im Rahmen der Raman-Streulicht-verstärkenden Optik 36 eine Trennung 68 der Raman- Streulichtanteile, die aus dem Gasvermessungsraum 20 und aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56 stammen, vorgenommen wird. Diese lassen sich im Rahmen einer Paralleldetektion 64 im Lichtdetektor 48, der beispielsweise eine CCD-Kamera sein kann, parallel detektieren.
Aus der Darstellung gemäß Figur 4 gehen die im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens mit der Online- und In-situ-Messeinrichtung 10 ausmessbaren wesentlichen Gase nach DIN EN 17124 hervor. Bei diesen kann es sich um die Auswertung - neben O2 und N2 aus der Luft - um CO2, CO, H2O, CH4 handeln. Auch Schwefeldioxid (SO2), Schwefelwasserstoff (H2S) und Wasserstoff (H2) zählen dazu.
Im Rahmen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann mit der Online- und In-situ-Messeinrichtung 10 eine Konzentrationsvermessung von Gasen mit einem kompakten mobilen Mess- beziehungsweise Sensorsystem im Rahmen einer In-situ-Messung basierend auf der Raman-Spektroskopie vorgenommen werden. Bevorzugt wird bei der Konzentrationsvermessung mindestens eine Laserdiode 16 eingesetzt, die das entsprechende Gas 22 oder das entsprechende Gasgemisch 24 im sichtbaren, bevorzugt blauen Spektralbereich beleuchtet. Zur Fokussierung des Laserstrahls wird eine dementsprechend fokussierende Optik 18 eingesetzt. Der Laserstrahl wird über den mindestens einen optischen Zugang 28 wieder aus dem Gasvermessungsraum 20 ausgeleitet und gelangt entweder direkt in den Strahlungsabsorber 32 oder unter Zwischenschaltung des weiteren Messraums 56 in diesen. Durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau in beiden Ausführungsvarianten gemäß den Figuren 1 und 3 wird das Raman-Streulicht 34, 62 aus dem fokussiert beleuchteten Gasvermessungsraum 20 oder beiden Gasvermessungsräumen 20, 56 ausgekoppelt und der spektralen Analyseeinheit 38 in Gestalt des Spektrographen 40 mit nachgeschaltetem Lichtdetektor 48 zugeführt.
In Bezug auf die Ausgestaltung des Spektrographen 40 kann dieser ein oder mehrere Gitter oder ein oder mehrere Prismen oder eine Kombination aus diesen Bauteilen enthalten.
Der Lichtdetektor 48 umfasst vorzugsweise eine CCD-Kamera, ein CMOS- Bauteil oder entsprechende Empfängerdioden, die an den Stellen der Raman- Wellenlängen beziehungsweise der zu untersuchenden Gase platziert sind. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können auch Gase 22 oder Gasgemische 24 in verschiedenen Druck- und Temperaturbereichen vermessen werden. Beiden Online- und In-situ-Messeinrichtungen 10 ist gemeinsam, dass durch diese eine Auswertung der detektierten Raman-Spektren erfolgen kann, so dass diese um ihre Anwendung zur Konzentrationsmessung von Flüssigkeiten oder Festkörpern auf Gase, insbesondere quantitative Konzentrationsauswertungen erweitert werden kann. Durch die eingesetzte Raman-Streuintensität-verstärkende Optik 36 können apparativ aufwändige Laborversuchsanlagen mit Festkörpern oder Gaslasern und hochsensitiven Spektrometern umgangen werden und es kann eine Möglichkeit für eine Online- und In-situ-Messung direkt am Ort des Auftretens des zu vermessenden Gases 22 oder des zu vermessenden Gasgemischs 24 erreicht werden.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Online- und ln-situ- Messeinrichtung 10 können alle wesentlichen Gase vermessen werden, wie dies bereits aus den Figuren 2.1 und 2.2 in Bezug auf die Spektren 70, 72 beispielhaft für Luft und ein Formiergas angegeben ist. Dies bedeutet, dass auf mehrere Gasanalysesensoren verzichtet werden kann. Aufgrund der Proportionalität des Raman-Signals zur Teilchenkonzentration (Raman-Signal ~N/V) wird keine indirekte Bestimmung vorgenommen, wie beispielsweise mittels Wasserstoffkonzentrationsbestimmung über eine Wärmeleitfähigkeitsmessung. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erfolgt die Detektion online und in situ ohne eine Probenextraktion mit anschließender, teilweise räumlich getrennter Offline-Analyse, wie beispielsweise im Rahmen der Gaschromatographie. Wasserstoffkonzentrationsfehlmessungen aufgrund von störenden F O-Adsorptionen, zum Beispiel an metallischen Oberflächen, können aufbaubedingt vermieden werden, da Glas eingesetzt und nicht-adsorbierende Metalle Verwendung finden. Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens können Gaskonzentrationen über den gesamten Messbereich bestimmt werden und nicht über Teilbereiche von beispielsweise 0 % bis 20 %, wie dies beim Einsatz von klassischen Gassensoren eher üblich ist. Es wird eine Sensorkontamination vermieden, so dass die Kontaminations- und Ausfallzeiten prinzipbedingt nicht anfallen und Totalausfälle aufgrund auftretender Defekte nicht zu befürchten sind. Große Konzentrationsunterschiede und damit einhergehende Signalunterschiede werden durch Variation der Detektionsdynamik des Lichtdetektors angepasst. Die Sensitivität für kleine Gaskonzentrationen kann einfach durch Verlängerung der Aufnahmezeit erheblich verbessert werden. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung aufgrund der sich voneinander unterscheidenden Raman-Banden eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen werden, so dass keine Querempfindlichkeiten wie bei Gassensoren (Auftreten von Aromatendämpfen) oder sich überlagernden Signalen durch Gasarttrennung Rechnung zu tragen wären, sich mithin ein wesentlich vereinfachter Auswerteweg ergibt.
Die hhO-Raman-Bande liegt im Messbereich der anderen wesentlichen Gase, d. h. Feuchte beeinflusst die Gaskonzentrationsmessung entweder gar nicht oder nur unwesentlich, sondern wird direkt mit vermessen und erlaubt damit eine Korrektur vermessener Molekülkonzentrationen der Nicht-Wasserdampf- Gasbestandteile. Wird feuchtes Gas mit F O-Dampfbestandteilen klassisch, ohne Vorsehen eines Feuchtesensors vermessen, verändert der Feuchteanteil die Gasteilchenzusammensetzung. Dies bedeutet, dass sich bei feuchter Luft die Teilchendichte (N/V) von Stickstoff und Sauerstoff um den Anteil reduziert, den die Wassermoleküle einnehmen. Bei der erfindungsgemäßen Lösung würden dann die zu IN und O2 korrespondierenden Raman-Linien kleiner, dafür träte jedoch das FhO-Raman-Signal auf und es könnte eine Feuchtekorrektur vorgenommen werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung vermisst also direkt die absolute Feuchte. Die klassischen Messverfahren hingegen müssten die Feuchte auf geeignete Weise messen, was im Einzelfall nicht immer trivial sein kann, wenn zum Beispiel bei Probenahme und/oder in einem Analysedetektor die Probe Druck- und Temperaturänderungen erfährt und sich somit die Feuchte ändert. Ferner messen typischerweise eingesetzte Feuchtesensoren die relative und nicht die absolute Feuchte, was wiederum mehr oder weniger aufwändig kalibriert oder berechnet werden müsste.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird die Feuchte direkt und absolut mit vermessen und erlaubt eine Korrektur der vermessenen Nicht-
Wasserdampf-Gasbestandteile.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Online- oder In-situ-Messeinrichtung (10) für eine Konzentrationsmessung und/oder eine quantitative Konzentrationsauswertung eines Gases (22) oder eines Gasgemischs (24) mittels Raman-Spektroskopie mit mindestens einem Gasvermessungsraum (20, 56) für das Gas (22) oder das Gasgemisch (24), der ein oder mehrere optische Zugänge (28) und ein oder mehrere optische Ausgänge (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Hochleistungslaser (14), insbesondere eine Laserdiode (16) umfasst, welche das Gas (22) oder das Gasgemisch (24) in dem mindestens einen Gasvermessungsraum (20, 56) im visuellen Spektralbereich fokussiert beleuchtet und Raman-Streulicht (34, 62) aus dem fokussiert beleuchteten Gas (22) oder Gasgemisch (24) durch ein die physikalische Raman-Streuintensität des Streulichts (34, 62) verstärkendes optisches System (36) mit Filtern und Blenden einer spektralen Analyseeinheit (38) zuführt.
2. Online- oder In-situ-Messeinrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Analyseeinheit (38) als Spektrograph (40) mit mindestens einem Lichtdetektor (48) versehen ist.
3. Online- oder In-situ-Messeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 und
2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektrograph (40) als dispergierendes Element mindestens ein Gitter und/oder mindestens ein Prisma umfasst und der Lichtdetektor (48) eine CCD-Kamera und/oder Empfängerdioden an den Stellen der Raman-Streulicht-Wellenlänge des beleuchteten Gases (22) oder des beleuchteten Gasgemischs (24) aufweist.
4. Online- oder In-situ-Messeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass diese neben dem Gasvermessungsraum (20) mindestens einen weiteren Gasvermessungsraum (56) umfasst, der ein Gas (22) oder ein Gasgemisch (24) mit bekannter Gaskonzentration (60) enthält.
5. Online- oder In-situ-Messeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Laserstrahlung aus dem Gasvermessungsraum (20) und/oder dem weiteren Gasvermessungsraum (56) zur Vermeidung eines Störeinflusses in einem Strahlungsabsorber (32) absorbiert wird.
6. Verfahren zur Messung einer Konzentration und/oder einer quantitativen Konzentrationsauswertung eines Gases (22) oder eines Gasgemischs (24) mittels Raman-Spektroskopie und einer Messeinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Fokussierte Beleuchtung des Gases (22) oder des Gasgemischs (24) in einem Gasvermessungsraum (20) und/oder einem weiteren Gasvermessungsraum (56) mittels mindestens einer Laserdiode (16) im visuellen Spektralbereich, b) Herausleiten des Laserstrahls zur Störeinflussvermeidung aus dem Gasvermessungsraum (20) und/oder dem weiteren Gasvermessungsraum (56) in einen Strahlungsabsorber (32) und c) Aufnehmen von Raman-Streulicht (34) mit einer eine Raman- Streuintensität-verstärkenden Optik (36) aus dem fokussiert beleuchteten Gasvermessungsraum (20) und Zuführen des Raman- Streulichts (34) zu einer spektralen Analyseeinheit (38).
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Gase (22) oder Gasgemische (24) in verschiedenen Druck- und Temperaturbereichen in einer Gasströmung (66) eines Bypasses (26) oder durch die optischen Zugänge (28) zum Gasvermessungsraum (20) vermessen werden.
8. Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt c) eine Konzentrationsbestimmung des Gases (22) oder der Gase (22) des Gasgemischs (24) durch Auswertung der Raman-Spektren (70, 72) in der spektralen Analyseeinheit (38) vorgenommen wird.
9. Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrensschritt b) der aus dem Gasvermessungsraum (20) ausgekoppelte Laserstrahl in einen weiteren Gasvermessungsraum (56) eingekoppelt wird, in dem ein Gas (22) oder ein Gasgemisch (24) bekannter Gaskonzentration (60) enthalten ist.
10. Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem weiteren Gasvermessungsraum (56), der als Kalibrierzelle (58) dient, Raman-Streulicht (62) zu der die Raman-Streuintensität- verstärkenden Optik (36) geführt und der spektralen Analyseeinheit (38) zugeführt wird.
11. Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der spektralen Analyseeinheit (38) eine Vermessung von Raman-Streulicht (34) aus dem Gasvermessungsraum (20) oder eine Parallelvermessung (64) von Raman-Streulicht (34) aus dem Gasvermessungsraum (20) und dem weiteren, als Kalibrierzelle (58) dienenden weiteren Gasvermessungsraum (56) erfolgt.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichen, in den Gasvermessungsräumen (20, 56) vorhandenen Gasen (22) oder Gasgemischen (24) eine Trennung (68) von Raman-Streulicht (34, 62) in der spektralen Analyseeinheit (38) zur Parallelvermessung (64) im Lichtdetektor (48) vorgenommen wird.
13. Verwendung der Online- oder In-situ-Messeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 und/oder des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 6 bis 12 zur Konzentrationsmessung von Gasen (22) oder Gasgemischen (24) als Kalibriersystem für Brennstoffzellen, Brennstoffzellensysteme, Gassensoren.
PCT/EP2022/053213 2021-03-23 2022-02-10 Online- oder in-situ-messeinrichtung für eine konzentrationsmessung eines gases WO2022199928A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22709227.7A EP4314777A1 (de) 2021-03-23 2022-02-10 Online- oder in-situ-messeinrichtung für eine konzentrationsmessung eines gases

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021107229.8 2021-03-23
DE102021107229.8A DE102021107229A1 (de) 2021-03-23 2021-03-23 Online- oder In-situ-Messeinrichtung für eine Konzentrationsmessung eines Gases

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022199928A1 true WO2022199928A1 (de) 2022-09-29

Family

ID=80685381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/053213 WO2022199928A1 (de) 2021-03-23 2022-02-10 Online- oder in-situ-messeinrichtung für eine konzentrationsmessung eines gases

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4314777A1 (de)
DE (1) DE102021107229A1 (de)
WO (1) WO2022199928A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022205596A1 (de) 2022-06-01 2023-12-07 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Kalibrierung einer Vorrichtung zur Raman-Spektroskopie mit Laserdioden

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5450193A (en) * 1992-02-24 1995-09-12 Hewlett-Packard Company Raman spectroscopy of airway gases
US5455673A (en) 1994-05-27 1995-10-03 Eastman Chemical Company Apparatus and method for measuring and applying a convolution function to produce a standard Raman spectrum
US5786893A (en) 1993-04-15 1998-07-28 Board Of Regents, The University Of Texas System Raman spectrometer
DE102009026744A1 (de) 2009-06-04 2010-12-09 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung von Bauteilen
RU2613200C1 (ru) 2015-11-20 2017-03-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Лазерный газоанализатор
RU2672187C1 (ru) 2017-12-18 2018-11-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук КР-газоанализатор

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT57258B (de) 1912-03-28 1913-01-10 Wilhelm Wander Verfahren zur Befestigung von Schmucksteinen in erhärtenden Massen.
US4555176A (en) 1983-12-16 1985-11-26 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method and apparatus for determining pressure-induced frequency-shifts in shock-compressed materials
US4676639A (en) 1986-01-22 1987-06-30 Biomaterials International, Inc. Gas cell for raman scattering analysis by laser means
US4784486A (en) 1987-10-06 1988-11-15 Albion Instruments Multi-channel molecular gas analysis by laser-activated Raman light scattering
US5452084A (en) 1993-03-29 1995-09-19 Albion Instruments, Inc. Method and apparatus for zero-calibration of a raman spectroscopy system
US5615673A (en) 1995-03-27 1997-04-01 Massachusetts Institute Of Technology Apparatus and methods of raman spectroscopy for analysis of blood gases and analytes
DE19735205A1 (de) 1997-08-14 1999-02-25 Gustav Prof Dr Techn Schweiger Verfahren zur spektroskopischen Rußmessung
EP1037553B1 (de) 1997-11-12 2007-01-24 Lightouch Medical, Inc. Verfahren zur nicht invasiven analytenmessung
JP2002519664A (ja) 1998-06-29 2002-07-02 サン ディエゴ ステート ユニバーシティ ファウンデーション 炭素−ハロゲン化合物を測定するための方法および装置ならびにその応用
WO2002048660A1 (en) 2000-12-13 2002-06-20 Spelman College Multiplex coherent raman spectroscopy detector and method
GB0126319D0 (en) 2001-11-02 2002-01-02 Univ Strathclyde Microfluidic serrs detection
US8088628B2 (en) 2002-09-30 2012-01-03 Intel Corporation Stimulated and coherent anti-stokes raman spectroscopic methods for the detection of molecules
DE102004015946B3 (de) 2004-03-25 2006-01-12 Ufz-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Raman-spektroskopischen Charakterisierung eines Prozessmediums
CN100373151C (zh) 2005-01-13 2008-03-05 上海众毅工业控制技术有限公司 用于气体分析的激光喇曼样品池
FR2890747B1 (fr) 2005-09-15 2008-05-09 Flowgene Sa Methode et dispositif d'analyse de composes chimiques
DE102013010610A1 (de) 2013-06-25 2015-01-08 Wolfgang Bock Mobiles Ramanspektrometer
US9109951B2 (en) 2013-11-06 2015-08-18 Spectrasensors, Inc. Reduced volume spectroscopic sample cell
US10094781B2 (en) 2014-04-14 2018-10-09 General Electric Company Methods and systems to analyze a gas-mixture
CN107454937B (zh) 2015-03-04 2021-07-27 国立大学法人名古屋大学 碳同位素分析装置和碳同位素分析方法
CN106546533B (zh) 2015-09-20 2019-12-10 大连世佩达光谱智能检测科技有限公司 一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备
WO2017125214A1 (de) 2016-01-18 2017-07-27 Omicron Electronics Gmbh Vorrichtung und verfahren zum vorbereiten einer analyse von in einem fluid gelöstem gas und analysesystem zur analyse von in einem fluid gelöstem gas
US10585036B2 (en) 2017-03-13 2020-03-10 Abb Schweiz Ag Dissolved gas analysis devices, systems, and methods
US11067511B2 (en) 2018-09-19 2021-07-20 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Methods and devices for real-time detection of fouling chemistry
DE102019104481A1 (de) 2019-02-21 2020-08-27 Laser-Laboratorium Göttingen e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Identifizieren von flüchtigen Substanzen mit resonatorverstärkter Raman-Spektroskopie bei reduziertem Druck
CN211652548U (zh) 2019-12-12 2020-10-09 蒋霖坤 基于光电倍增管的高灵敏度拉曼光谱仪
AT18115U1 (de) 2020-03-31 2024-02-15 Aidexa Gmbh Vorrichtung zur spektroskopischen Untersuchung von Fluiden
CN111413321A (zh) 2020-04-30 2020-07-14 华中科技大学 一种光纤拉曼光谱气体分析装置
CN213986200U (zh) 2020-11-13 2021-08-17 苏州灵析精密仪器有限公司 拉曼光谱激发增强模块

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5450193A (en) * 1992-02-24 1995-09-12 Hewlett-Packard Company Raman spectroscopy of airway gases
US5786893A (en) 1993-04-15 1998-07-28 Board Of Regents, The University Of Texas System Raman spectrometer
US5455673A (en) 1994-05-27 1995-10-03 Eastman Chemical Company Apparatus and method for measuring and applying a convolution function to produce a standard Raman spectrum
DE102009026744A1 (de) 2009-06-04 2010-12-09 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung von Bauteilen
RU2613200C1 (ru) 2015-11-20 2017-03-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Лазерный газоанализатор
RU2672187C1 (ru) 2017-12-18 2018-11-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук КР-газоанализатор

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
COCOLA L. ET AL: "A non-dispersive approach for a Raman gas sensor", SN APPLIED SCIENCES, vol. 2, no. 5, 1 May 2020 (2020-05-01), pages 907, XP055913239, ISSN: 2523-3963, Retrieved from the Internet <URL:https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s42452-020-2688-1.pdf> DOI: 10.1007/s42452-020-2688-1 *
MICHAEL HIPPLER: "Cavity-Enhanced Raman Spectroscopy of Natural Gas with Optical Feedback cw-Diode Lasers", ANALYTICAL CHEMISTRY, vol. 87, no. 15, 22 July 2015 (2015-07-22), US, pages 7803 - 7809, XP055640292, ISSN: 0003-2700, DOI: 10.1021/acs.analchem.5b01462 *
NIKLAS CHRISTIAN ET AL: "A Short Review of Cavity-Enhanced Raman Spectroscopy for Gas Analysis", SENSORS, vol. 21, no. 5, 2 March 2021 (2021-03-02), pages 1698, XP055913246, DOI: 10.3390/s21051698 *
SCHLÜTER SEBASTIAN ET AL: "Demonstration of a signal enhanced fast Raman sensor for multi-species gas analyses at a low pressure range for anesthesia monitoring : Raman sensor for multi-species gas analyses", JOURNAL OF RAMAN SPECTROSCOPY, vol. 46, no. 8, 27 May 2015 (2015-05-27), GB, pages 708 - 715, XP055913250, ISSN: 0377-0486, Retrieved from the Internet <URL:https://api.wiley.com/onlinelibrary/tdm/v1/articles/10.1002%2Fjrs.4711> DOI: 10.1002/jrs.4711 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021107229A1 (de) 2022-09-29
EP4314777A1 (de) 2024-02-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sieburg et al. Characterization of fuel gases with fiber-enhanced Raman spectroscopy
EP1161675B1 (de) Infrarot-gasanalysator und verfahren zum betrieb dieses analysators
EP2307876B1 (de) Verfahren zur laserspektroskopischen detektion von gasen
EP2437046B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Messen von SO3 und H2SO4 Konzentrationen in Gasen
Volten et al. Two instruments based on differential optical absorption spectroscopy (DOAS) to measure accurate ammonia concentrations in the atmosphere
WO2013087753A1 (de) Gasmessgerät
DE3912708A1 (de) Korrelations-gasanalysator
DE19900129C2 (de) Gasqualitätsbestimmung
DE102010056137B4 (de) Optische Gasanalysatoreinrichtung mit Mitteln zum Kalibrieren des Frequenzspektrums
WO2022199928A1 (de) Online- oder in-situ-messeinrichtung für eine konzentrationsmessung eines gases
DE10392663T5 (de) Foto-akustisches Erfassungsverfahren zum Messen der Konzentration von Nicht-Kolenwasserstoff-Komponenten einer methanhaltigen Gasmischung
EP2726830B1 (de) Gaschromatograph mit absorption spektrometer und verfahren zur gaschromatographischen analyse eines gasgemischs
DE102009017932B4 (de) Verfahren zur kontinuierlichen quantitativen Bestimmung einer oxidierbaren chemischen Verbindung in einem Untersuchungsmedium
DE19949439C1 (de) Gasqualitätsbestimmung
DE102005036146A1 (de) Anordnung zur optischen Flammenprüfung
Petrov et al. Multipass Raman gas analyzer for monitoring of atmospheric air composition
DE202008003790U1 (de) Vorrichtung zur schnellen Onlinemessung in Biogas
EP3364169B1 (de) Prozess-gasanalysator
DE10308409A1 (de) Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse
EP3577453A1 (de) Verfahren zum kalibrieren und mess- und analyseverfahren
WO2004008113A1 (de) Absorptionsspektrometer und entsprechendes messverfahren
DE10023635A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur verbrennungslosen Bestimmung des Brennwertes oder der Wobbezahl eines Erdgases
Workman Jr et al. Using Reference Materials, Part II: Photometric Standards
WO2004008112A1 (de) Hochauflösendes absorptionsspektrometer und entsprechendes messverfahren
EP2513631A1 (de) Verfahren zur messung der konzentration mindestens einer gaskomponente in einem messgas

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22709227

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022709227

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022709227

Country of ref document: EP

Effective date: 20231023