DE102004018530B4 - Test method and apparatus for laser measurement system - Google Patents

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Abstract

Lasermeßsystem zur Messung eines Fluid-Bestandteils in einem Beobachtungsraum (13), mit mindestens einer zur Erzeugung eines Laserstrahls bestimmten Laserlichtquelle (19), die auf einer Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, und mit mindestens einem Photosensor (20), der der Laserlichtquelle (19) gegenüberliegend auf der anderen Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, wobei die Laserlichtquelle und/oder der Photosensor in einem Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (5) des Gehäuses durch ein Sichtfenster (3) aus transparentem Material von dem Beobachtungsraum (13) getrennt ist und daß ein Prüfgaskanal (6) in den Innenraum (5) des Gehäuses mündet.laser measurement system for measuring a fluid constituent in an observation room (13), with at least one intended for generating a laser beam Laser light source (19) on one side of the observation room (13) is fixed, and with at least one photosensor (20), the the laser light source (19) opposite is attached to the other side of the observation room (13), wherein the laser light source and / or the photosensor is arranged in a housing, characterized in that the Interior (5) of the housing through a viewing window (3) of transparent material from the observation room (13) is separate and that a Prüfgaskanal (6) in the interior (5) of the housing empties.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Lasermeßsystem zur Messung eines Fluid-Bestandteils in einem Beobachtungsraum, mit mindestens einer zur Erzeugung eines Laserstrahls bestimmten Laserlichtquelle, die auf einer Seite des Beobachtungsraums befestigt ist, und mit mindestens einem Photosensor, der der Laserlichtquelle gegenüberliegend auf der anderen Seite des Beobachtungsraums befestigt ist, wobei die Laserlichtquelle und/oder der Photosensor in einem Gehäuse angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Durchführung einer Funktionsprüfung an einem derartigen Lasermeßsystem.The The invention relates to a laser measuring system for Measurement of a fluid component in an observation room, with at least one for generating a Laser beam specific laser light source, which is on one side of the Observation room is fixed, and with at least one photosensor, the opposite of the laser light source attached to the other side of the observation room, where the laser light source and / or the photosensor are arranged in a housing is. The invention further relates to a method for carrying out a functional test on such a laser measuring system.

Derartige Lasermeßsysteme werden beispielsweise bei der Laser-Absorptionsspektroskopie verwendet, mit der berührungslos die Konzentration bestimmter Bestandteile eines flüssigen oder gasförmigen Fluids in einem Beobachtungsraum, wie beispielsweise der Sauerstoffgehalt in einem Rauchgas gemessen werden kann. Das Rauchgas einer Feuerungsanlage weist in der Regel eine hohe Temperatur, aggressive Bestandteile und Staub und Ruß auf, wodurch die optischen Komponenten des Lasermeßsystems verschmutzt oder beschädigt werden können. Aus diesem Grund sind die optischen Komponenten in der Regel in einem Gehäuse angeordnet, welches ein Sichtfenster aufweist. Das Fenster befindet sich direkt im Strahlgang des Laserstrahls und wird zur Trennung der optischen Komponenten des Meßsystems von der Atmosphäre im Beobachtungsraum eingesetzt.such laser measuring systems are used for example in laser absorption spectroscopy, with the contactless the concentration of certain components of a liquid or gaseous Fluids in an observation room, such as the oxygen content can be measured in a flue gas. The flue gas of a firing plant usually has a high temperature, aggressive components and dust and soot on, causing the optical components of the laser measuring system become dirty or damaged can. For this reason, the optical components are usually in a housing arranged, which has a viewing window. The window is located directly in the beam path of the laser beam and becomes the separation the optical components of the measuring system from the atmosphere in the observation room used.

Bei der Laser-Absorptionsspektroskopie werden in ihrer Wellenlänge (bzw. Frequenz) abstimmbare Single-Mode-Laser verwendet. Diese Laser haben die Eigenschaft, nur eine einzelne Lichtwellenlänge zu emittieren, die elektrisch – in der Regel über den Ansteuerstrom – einstellbar ist. Bei dem Meßverfahren wird die Energie des Laserstrahls bei Durchstrahlen eines gasförmigen Mediums durch den zu messende Bestandteil reduziert, indem die photonische Energie – charakterisiert durch die Wellenlänge – mit der kinetischen bzw. elektrischen Energie in Resonanz tritt. Dieses Verhalten zeigt sich in der Regel nicht nur bei einer Wellenlänge, so daß man hier auch von einen Spektrum spricht.at of the laser absorption spectroscopy are in their wavelength (or Frequency) tunable single-mode laser used. These lasers have the property of emitting only a single wavelength of light that is electrically - in the Usually over the drive current - adjustable is. In the measuring method becomes the energy of the laser beam when passing through a gaseous medium reduced by the component to be measured by the photonic Energy - characterized through the wavelength - with the Kinetic or electrical energy occurs in resonance. This Behavior is usually not only at one wavelength, so that he here also speaks of a spectrum.

Ist in dem Beobachtungsraum keine Konzentration des zu messenden gasförmigen Bestandteils vorhanden, wird keine Absorption gemessen. Das selbe Ergebnis zeigt sich auch, wenn sich der Wellenlängenbereich der Ansteuerung z.B. durch einen Fehler verschiebt und keine Absorptionslinie erfaßt wird. Es ist daher wünschenswert zu prüfen, ob bei Abwesenheit eines gemessenen Konzentrationswertes der zu messende Bestandteil nicht vorhanden ist oder ein Meßfehler vorliegt. Es gibt aber auch andere Situationen, die eine Überprüfung des Meßergebnisses erfordern.is there is no concentration of the gaseous constituent to be measured in the observation room, No absorption is measured. The same result is also evident when the wavelength range the activation of e.g. shifted by an error and no absorption line is detected. It is therefore desirable to consider, whether in the absence of a measured concentration value of measuring component is missing or a measurement error is present. But there are other situations that require a review of the measurement result require.

Die Druckschrift DE 197 50 133 A1 offenbart ein optisches Meßsystem für die Erfassung der Kohlendioxid-Konzentration mittels Infrarot-Gasabsorption. In dieser Druckschrift ist eine optische Küvette aus porösem Material, vorzugsweise Sintermaterial beschrieben, in die einerseits die Gasmoleküle des zu erfassenden Gases eintreten und andererseits ein Prüfgas zur Kalibrierung des Meßsystems eingeleitet werden kann. In der Küvette ist ein Strahler und ein Detektor des optischen Meßsystems angeordnet. Das in dieser Druckschrift beschriebene System bringt also den Strahler und den Detektor in unmittelbaren Kontakt mit dem zu erfassenden Gas. Dies kann bei stark kontaminierten Gasen zu einer schnellen Verschmutzung des Strahlers und des Detektors führen. Bei aggressiven oder heißen zu erfassenden Gasen können Strahler und Detektor durch thermische oder chemische Einwirkung des in die Küvette eingeleiteten Gases beschädigt werden. Die Druckschrift DE 100 63 024 A1 berücksichtigt diese Problematik. Hier sind die optischen Bauteile, d.h. der Strahler und der Detektor, räumlich von der Meßküvette getrennt. Ein erster Lichtleiter führt von dem Strahler außerhalb der Meßküvette zu dem ersten Ende der Meßküvette, und ein zweiter Lichtleiter führt von der Meßküvette zu dem Detektor außerhalb der Meßküvette. Zusätzlich ist ein Kalibrierschlauch vorgesehen, durch den Kalibriergas unter Druck zu der Meßküvette geleitet werden kann. Hierdurch entfällt zwar die Gefahr der Beschädigung der optischen Bauteile durch hohe Temperaturen und Bestandteile des zu erfassenden Gases, jedoch kann die Kalibrierung durch in die Küvette eindringende zu erfassende Gase gestört werden. Außerdem ist das System sehr aufwändig und kostspielig.The publication DE 197 50 133 A1 discloses an optical measuring system for detecting the carbon dioxide concentration by means of infrared gas absorption. In this document, an optical cuvette made of porous material, preferably sintered material is described, in the one hand enter the gas molecules of the gas to be detected and on the other hand, a test gas for calibrating the measuring system can be initiated. In the cuvette a radiator and a detector of the optical measuring system is arranged. The system described in this document thus brings the radiator and the detector into direct contact with the gas to be detected. This can lead to rapid contamination of the radiator and the detector with heavily contaminated gases. In the case of aggressive or hot gases to be detected, the emitter and detector can be damaged by thermal or chemical action of the gas introduced into the cuvette. The publication DE 100 63 024 A1 takes this problem into account. Here are the optical components, ie the radiator and the detector, spatially separated from the measuring cell. A first optical fiber leads from the radiator outside the cuvette to the first end of the cuvette, and a second optical fiber leads from the cuvette to the detector outside the cuvette. In addition, a calibration tube is provided, can be passed through the calibration gas under pressure to the measuring cuvette. Although this eliminates the risk of damage to the optical components by high temperatures and components of the gas to be detected, but the calibration can be disturbed by penetrating into the cuvette to be detected gases. In addition, the system is very complex and expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionsprüfung derartiger Lasermeßsysteme zu erleichtern, welche für Messungen von Gasen mit hoher Temperatur, aggressiven Bestandteilen und Staub und Rauch geeignet ist.task The invention is the functional testing of such laser measuring systems to facilitate which for Measurements of gases with high temperature, aggressive components and dust and smoke is suitable.

Diese Aufgabe wird in bezug auf die Vorrichtung dadurch gelöst, daß ein Prüfgaskanal in das Gehäuse des Lasermeßsystems mündet, wobei der Innenraum des Gehäuses durch ein Sichtfenster aus transparentem Material von dem Beobachtungsraum getrennt ist. In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Prüfgas in das Gehäuse des Lasermeßsystems geleitet wird, wobei der Innenraum des Gehäuses durch ein Sichtfenster aus transparentem Material von dem Beobachtungsraum getrennt wird.These The object is achieved with respect to the device in that a test gas channel in the case the laser measuring system opens the interior of the housing separated by a viewing window of transparent material from the observation room is. With regard to the method, the object is achieved in that a test gas in the housing the laser measuring system is passed, with the interior of the housing through a viewing window of transparent material is separated from the observation room.

Mit anderen Worten kann gemäß der Erfindung das Gehäuse zum Schutz der optischen Komponenten des Lasermeßsystems mit einem Prüfgas befüllt werden. Hieraus resultiert, daß innerhalb des Gehäuses eine definierte Länge des Prüfgases von dem Laserstrahl des Lasermeßsystems durchlaufen wird. Das Prüfgas kann eine vorgegebene Konzentration des zu messenden Bestandteils aufweisen. Es können aber Prüfgase mit beliebigen Bestandteilen verwendet werden, je nachdem, welche Funktion des Lasermeßsystems geprüft werden soll.With In other words, according to the invention the housing to protect the optical components of the Lasermeßsystems be filled with a test gas. This results in that within of the housing a defined length of the test gas from the laser beam of the laser measuring system is going through. The test gas may be a predetermined concentration of the component to be measured exhibit. It can but test gases be used with any components, whichever Function of the laser measuring system checked shall be.

Wenn der Innenraum des Gehäuses mit dem Prüfgas befüllt ist, kann eine Prüfmessung oder Referenzmessung durchgeführt werden. Durch das Einbringen einer definierten Strecke von bekanntem Prüfgas in den Strahlengang des Laserstrahls muß sich der Meßwert des Lasermeßsystems auf eine vorbestimmte Weise verändern. Tritt keine Veränderung auf, kann auf einen Defekt des Systems geschlossen werden. Fällt die Änderung anders als erwartet aus, können hieraus die möglichen Fehlerquellen abgeleitet werden.If the interior of the housing with the test gas filled is, can a test measurement or reference measurement performed become. By introducing a defined range of known test gas in the beam path of the laser beam, the measured value of the laser measurement system change in a predetermined way. Does not change on, can be concluded on a defect of the system. If the change fails unlike expected, you can from this the possible Sources of error are derived.

Durch die Erfindung wird es möglich, die Funktion des Lasermeßsystems im Betrieb, d.h. in-situ an der zu überwachenden Anlage zu prüfen. Das Prüfgas wird nur in das Gehäuse des Lasermeßsystems eingeleitet und nicht in den Beobachtungsraum. Es kann daher den Prozeß innerhalb des Beobachtungsraums nicht negativ beeinflussen. Wird in den Laserstrahl eine bekannte Konzentration des zu messenden Bestandteils, d.h. der zu messenden gasförmigen Komponente, auf eine definierte Länge eingebracht, kann der Wellenlängenbereich anhand der dann auftretenden Absorption erkannt werden. Ebenso kann eine gemessene Konzentration auf diesem Wege geprüft werden, da die eingebrachte Konzentration additiv in die dann gemessene Absorption eingeht. Aufgrund der bekannten Daten der eingebrachten Konzentration sowie der Länge des mit Prüfgas befüllten Innenraums kann die zu messende Konzentration in dem Beobachtungsraum errechnet werden. Im Vergleich zu den bekannten Prüfungen eines Lasermeßsystems an externen Prüfgasküvetten ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß das Lasermeßsystem gemäß der Erfindung zur Prüfung nicht abgebaut werden muß und die Anlage, an der das Lasermeßsystem installiert ist, während der Prüfung weiter laufen kann. Das Gehäuse ist als Prüfgasküvette zu verwenden und ist fester Bestandteil der eingebauten Meßsonde.By the invention makes it possible the function of the laser measuring system in operation, i. in situ at the plant to be monitored. The test gas is only in the case the laser measuring system initiated and not in the observation room. It can therefore the Process within of the observation room. Is in the laser beam a known concentration of the component to be measured, i. the gaseous to be measured Component, introduced to a defined length, the wavelength range be recognized by the then occurring absorption. Likewise a measured concentration will be tested this way since the introduced concentration is additive in the then measured Absorption is received. Due to the known data of the introduced Concentration as well as the length with test gas filled Interior can be the concentration to be measured in the observation room be calculated. Compared to the known tests of a laser measurement system results on external test gas cuvettes the main advantage is that the laser measuring system according to the invention for testing does not have to be dismantled and the plant where the laser measuring system is installed while the exam continues can run. The housing is as a test gas cuvette too use and is an integral part of the built-in probe.

Zur Überprüfung der Messung wird das Gehäuse über einen Prüfgaskanal mit einem Prüfgas geflutet. In der Praxis ist an dem Gehäuse ein Entlüftungskanal vorzusehen, durch den das beim Fluten in dem Gehäuse vorhandene Gas entweichen kann. Der Prüfgaskanal und der Entlüftungskanal befinden sich vorzugsweise an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses. Zur Befüllung mit dem Spülgas nach der Prüfung kann ein Spülgaskanal in das Gehäuse münden. Dabei können z.B. Spülgaskanal und Prüfgaskanal zu einem Kanal zusammengefaßt sein und mit verschiedenen Gasquellen verbunden sein.To check the Measurement is the case over a Prüfgaskanal flooded with a test gas. In practice, on the housing a vent channel to provide, through which escape the gas present in the housing during flooding can. The test gas channel and the venting channel are preferably located at opposite ends of the housing. to filling with the purge gas after the exam can be a purge gas channel open into the housing. there can e.g. purge gas and test gas channel combined into a channel be connected to different gas sources.

Der mit Prüfgas befüllbare Innenraum des Gehäuses kann gegenüber der optischen Meßeinrichtung und/oder gegenüber dem zu messende Medium in dem Beobachtungsraum über ein Fenster abgedichtet sein. Die Zuleitung für das Prüfgas und das Spülgas ist innerhalb des Sondenrohres bis zum hinteren Fenster verlegt. Die Entlüftungsleitung befindet sich am entgegengesetzten Ende des Gehäuses, wodurch ein vollständiges Befüllen gewährleistet wird. Gegebenenfalls kann an diesem Ende des Gehäuses ein weiteres Fenster angeordnet werden, so daß die optische Komponente gegenüber dem Innenraum, der mit Spülgas und Prüfgas geflutet werden kann, abgedichtet ist.Of the with test gas fillable Interior of the housing can be opposite the optical measuring device and / or opposite sealed the medium to be measured in the observation room via a window be. The supply line for the test gas and the purge gas is routed inside the probe tube to the rear window. The vent line is located at the opposite end of the housing, ensuring complete filling. Optionally, arranged at this end of the housing another window so that the optical component opposite the interior, with purge gas and test gas can be flooded, sealed.

Nach der Beendigung der Überprüfung wird das Gehäuse mit einem gasförmigen Medium (Spülgas) gefüllt, das keine Konzentration des zu messenden gasförmigen Bestandteils enthält. In diesem Zustand kann dann die zu messende Konzentration in dem Beobachtungsraum direkt ermittelt werden.To the completion of the review will be the casing with a gaseous Medium (purge gas) filled, which contains no concentration of the gaseous component to be measured. In this State can then be the concentration to be measured in the observation room be determined directly.

Wird beispielsweise der Sauerstoffgehalt in einem Rauchgaskanal gemessen, so kann bei normalem Betrieb das Gehäuse des Lasermeßsystems mit reinem Stickstoff gespült werden, der keinen Einfluß auf die Sauerstoffmessung hat. Zum Prüfen des Meßwertes kann Luft mit bekanntem O2-Gehalt oder ein Prüfgasgemisch mit bekannter Sauerstoffkonzentration in das Gehäuse geleitet werden.Becomes for example, the oxygen content measured in a flue gas duct, Thus, in normal operation, the housing of the Lasermeßsystems with flushed with pure nitrogen which will have no influence has the oxygen measurement. To check the measured value, air with known O2 content or a test gas mixture be passed with known oxygen concentration in the housing.

Eine Überprüfung kann dadurch erfolgen, daß ein erster Meßwert bei mit einem neutralen Spülgas gefülltem Gehäuse vor dem Einleiten des Prüfgases und ein zweiter Meßwert bei mit dem Prüfgas gefüllten Gehäuse erfaßt wird und die beiden Meßwerte miteinander verglichen werden.A review can be done by a first measured value at with a neutral purge gas filled casing before introducing the test gas and a second measured value at with the test gas filled casing detected and the two measured values together be compared.

Das erfindungsgemäße Lasermeßsystem weist eine Laserlichtquelle und einen Photosensor als optische Meßkomponente auf. Beide optischen Komponenten können in einem erfindungsgemäßen Gehäuse angeordnet sein, welches mit einem Prüfgas befüllbar ist. So können zur Überprüfung des Lasermeßsystems entweder beide oder nur eines der beiden Gehäuse mit einem Prüfgas gefüllt werden. Zur Überprüfung kann ein erster Meßwert erfaßt werden, wenn eines der beiden Gehäuse mit dem Prüfgas gefüllt ist, und es kann ein zweiter Meßwert erfaßt werden, wenn beide Gehäuse mit dem Prüfgas gefüllt sind. Beide Meßwerte können miteinander verglichen werden.The inventive laser measuring system has a laser light source and a photosensor as an optical measuring component on. Both optical components can be arranged in a housing according to the invention be, which with a test gas fillable is. So can to review the laser measurement system either both or only one of the two housings be filled with a test gas. To check can a first measured value detected when one of the two housings is filled with the test gas, and it can be a second reading detected be when both housings filled with the test gas. Both measured values can compared with each other.

Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:A exemplary embodiment The invention will be described below with reference to the accompanying drawings described. The drawings show in:

1 einen Längsschnitt durch ein Gehäuse einer erfindungsgemäßen optischen Meßvorrichtung; 1 a longitudinal section through a housing of an optical measuring device according to the invention;

2 eine vergrößerte Ansicht des vorderen Endes des Gehäuses aus 1 im Längsschnitt; 2 an enlarged view of the front end of the housing 1 in longitudinal section;

3 eine Prinzipskizze eines transparenten Fensters in dem Gehäuse aus den 1 und 2; 3 a schematic diagram of a transparent window in the housing of the 1 and 2 ;

4 eine Prinzipskizze für die Funktion der Ausrichtung des Laserstrahls des Lasermeßsystems aus den vorangehenden Figuren; 4 a schematic diagram of the function of the alignment of the laser beam of the laser measuring system from the preceding figures;

5 eine Draufsicht auf eine Vierquadrantendiode für die Strahlausrichtung. 5 a plan view of a four-quadrant diode for beam alignment.

Die 1 zeigt ein Gehäuse, das bei einem erfindungsgemäßen optischen Meßsystem, insbesondere Lasermeßsystem, zum Einsatz kommt. Es besteht aus der optischen Komponente bzw. dem optischen Gerät 1, das entweder eine Laserlichtquelle oder eine Photodiode ist. In der optischen Achse 18 der optischen Komponente 1, d.h. bei dem vorliegenden Meßsystem in dem Laserstrahl 18, sind zwei Sichtfenster 2, 3 aus transparentem Material angeordnet. Zwischen den beiden Sichtfenstern 2, 3 befindet sich ein rohrförmiger Körper 4, dessen Innenraum 5 zur Überprüfung der Funktion des Meßsystems mit einem Prüfgas befüllt werden kann. Zu diesem Zweck weist der Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 des Gehäuses nahe dem Sichtfenster 3 am freien Ende des rohrförmigen Körpers 4 einen Prüfgaskanal 6 auf, der in den Innenraum 5 mündet. Am gegenüberliegenden Ende des Innenraums 5 des rohrförmigen Körpers 4 ist ein Entlüftungskanal 7 vorgesehen, durch den Gas aus dem Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 austreten kann. Der Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 des Gehäuses kann somit in Gleichströmung gemäß den eingezeichneten Pfeilen mit einem Gas gespült werden.The 1 shows a housing which is used in an optical measuring system according to the invention, in particular Lasermeßsystem used. It consists of the optical component or the optical device 1 which is either a laser light source or a photodiode. In the optical axis 18 the optical component 1 ie in the present measuring system in the laser beam 18 , are two viewing windows 2 . 3 made of transparent material. Between the two viewing windows 2 . 3 there is a tubular body 4 whose interior 5 To check the function of the measuring system can be filled with a test gas. For this purpose, the interior points 5 of the tubular body 4 of the housing near the viewing window 3 at the free end of the tubular body 4 a test gas channel 6 on that in the interior 5 empties. At the opposite end of the interior 5 of the tubular body 4 is a venting channel 7 provided by the gas from the interior 5 of the tubular body 4 can escape. The interior 5 of the tubular body 4 of the housing can thus be flushed in a direct flow according to the arrows shown with a gas.

Für den üblichen Meßbetrieb wird ein neutrales Spülgas in den Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 geleitet. Beispielsweise eignet sich Stickstoff als neutrales Spülgas während des Meßbetriebs, wenn das Meßsystem für die Sauerstoffmessung vorgesehen ist. Zu diesem Zweck kann der Prüfgaskanal 6 mit der Spülgasquelle, welche Stickstoff enthält, verbunden werden. Das Spülgas kann zur Kühlung umgewälzt werden, das heißt in einer stetigen Strömung den Innenraum 5 durchströmen und außerhalb des Innenraums 5 durch einen Wärmetauscher (nicht dargestellt) geleitet werden.For the usual measuring operation, a neutral purge gas in the interior 5 of the tubular body 4 directed. For example, nitrogen is suitable as a neutral purge gas during the measurement operation when the measurement system is provided for the oxygen measurement. For this purpose, the test gas channel 6 be connected to the purge gas source containing nitrogen. The purge gas can be circulated for cooling, that is, in a steady flow, the interior 5 flow through and outside the interior 5 be passed through a heat exchanger (not shown).

Zur Überprüfung der Funktion des Meßsystems kann der Prüfgaskanal 6 mit einer Prüfgasquelle verbunden werden, z.B. einer Druckgasflasche, die ein Gas mit definierter Sauerstoffkonzentration enthält, oder einer Pumpe, welche Luft mit 20,95% Sauerstoff in den Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 fördert. Durch das Spülen des Innenraums 5 mit dem Prüfgas wird eine definierte Länge zwischen den beiden Sichtfenstern 2 und 3 des Gehäuses mit einem Gas befüllt, welches eine bekannte Konzentration des zu messenden Bestandteils enthält.To check the function of the measuring system, the test gas channel 6 be connected to a test gas source, such as a compressed gas cylinder containing a gas with a defined oxygen concentration, or a pump, which air with 20.95% oxygen in the interior 5 of the tubular body 4 promotes. By flushing the interior 5 with the test gas is a defined length between the two viewing windows 2 and 3 of the housing filled with a gas containing a known concentration of the component to be measured.

Wie erwähnt, enthält das erfindungsgemäße Meßsystem zwei optische Komponenten, nämlich eine Laserlichtquelle 19 und einen Photosensor 20 (siehe z.B. 3 und 4). Wie 1 zeigt, können beide optischen Komponenten 1 in jeweils einem erfindungsgemäßen Gehäuse aufgenommen werden. Zur Durchführung unterschiedlicher Prüfmessungen können in einem ersten Fall nur eins der beiden Gehäuse und in einem zweiten Fall beide Gehäuse mit dem Prüfgas gespült werden.As mentioned, the measuring system according to the invention contains two optical components, namely a laser light source 19 and a photosensor 20 (see eg 3 and 4 ). As 1 shows, both optical components 1 are received in each case a housing according to the invention. In order to carry out different test measurements, in a first case only one of the two housings and in a second case both housings can be flushed with the test gas.

Das in 1 dargestellte Gehäuse weist ferner einen Spülgaskanal 8 auf, der zu einem Austrittskanal 9 führt. Der Austrittskanal 9 mündet hinter dem Sichtfenster 3 in dem zum Beobachtungsraum 13 offenen Teil des Gehäuses. Das vordere Ende des rohrförmigen Körpers 4 des Gehäuses ist im Detail in 2 dargestellt. Der Austrittskanal 9 für das Spülgas oder Kühlgas mündet in einer Ringnut 10, dier nach innen durch einen Einschraubring 11 für das Sichtfenster 3 verschlossen ist. Die zum Sichtfenster 3 gerichtete Stirnfläche des Einschraubrings 11 drückt ein Paar Dichtringe 26 zusammen, welche zu beiden Seiten des Randes des Sichtfensters 3 angeordnet sind und den Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 gegen den Beobachtungsraum 13, der vor der Stirnseite des rohrförmigen Körpers 4 liegt, abdichtet. Der Beobachtungsraum 13 kann ein Rauchgaskanal oder ein Feuerraum einer Verbrennungsanlage beliebiger Art sein. Er kann aber auch von einer Prozeßgasleitung, einem Gasbehälter beliebiger Art sowie einem sonstigen fluidbefüllten Raum oder offenen Volumen gebildet sein. Das Fluid kann gasförmige, flüssige und feste Bestandteile aufweisen. Es kann aus einem Rauchgas, atmosphärischer Luft oder einer vergleichbaren Gaszusammensetzung bestehen.This in 1 shown housing further has a purge gas channel 8th up to an exit channel 9 leads. The exit channel 9 flows behind the window 3 in the observation room 13 open part of the housing. The front end of the tubular body 4 the case is in detail in 2 shown. The exit channel 9 for the purge gas or cooling gas flows into an annular groove 10 , the inside by a screw-in 11 for the viewing window 3 is closed. The to the window 3 directed end face of the screw-in ring 11 pushes a pair of sealing rings 26 together, which on both sides of the edge of the viewing window 3 are arranged and the interior 5 of the tubular body 4 against the observation room 13 placed in front of the front of the tubular body 4 lies, seals. The observation room 13 may be a flue gas duct or a firebox of an incinerator of any kind. But it can also be formed by a process gas line, a gas container of any kind and another fluid-filled space or open volume. The fluid may include gaseous, liquid and solid components. It can consist of a flue gas, atmospheric air or a comparable gas composition.

Die Innenwandung des Einschraubrings 11 ist mit einer Hülse 14 aus porösem Material versehen. Die poröse Hülse 14 besteht aus gasdurchlässigem Material, vorzugsweise Sintermetall, Keramik oder Kunststoff. In dem Einschraub-ring 11 sind mehrere radiale Kanäle 12 vorgesehen, welche an der Außenseite der porösen Hülse 14 münden. Somit kann das Spülgas aus dem Spülgaskanal 8 durch den Austrittskanal 9 in die Ringnut 10 strömen, und aus der Ringnut 10 durch die mehreren, über den Umfang des Einschraubrings 11 verteilten radialen Kanäle 12 zur Außenseite der porösen Hülse 14 gelangen. Das Spülgas durchströmt die poröse Hülse 14 und tritt durch eine Vielzahl von kleinen Öffnungen in der Innenfläche der Hülse 14 aus. Die Innenfläche der porösen Hülse 14 bildet den hinteren Abschnitt eines Ausströmrohrs 16 am vorderen Ende des rohrförmigen Körpers 4. Der vordere Abschnitt des Auströmrohrs 16 wird durch eine weitere poröse Hülse 15 gebildet, die an der Innenseite eines Mündungsrings 17 angeordnet ist.The inner wall of the screw-in ring 11 is with a sleeve 14 made of porous material. The porous sleeve 14 consists of gas-permeable material, preferably sintered metal, ceramic or plastic. In the screw-in ring 11 are several radial channels 12 provided, which on the outside of the porous sleeve 14 lead. Thus, the purge gas from the purge gas channel 8th by the exit channel 9 in the ring groove 10 flow, and out of the annular groove 10 through the several, over the circumference of the screw-in ring 11 distributed radial channels 12 to the outside of the porous sleeve 14 reach. The purge gas flows through the porous sleeve 14 and passes through a plurality of small openings in the inner surface of the sleeve 14 out. The inner surface of the porous sleeve 14 forms the rear section of a discharge pipe 16 at the front end of the tubular body 4 , The front section of the Auströmrohrs 16 is through another porous sleeve 15 formed on the inside of a mouth ring 17 is arranged.

Das poröse Material über den größten Teil der Länge des Ausströmrohrs 16 hat zwei Funktionen. Zum einen bewirkt die poröse Hülse 14 im hinteren Abschnitt des Ausströmrohrs 16, daß das Spülgas in diffuser Strömung durch eine Vielzahl von Öffnungen im wesentlichen radial in das Ausströmrohr 16 hineinströmt. Zum anderen bewirkt die rauhe Oberfläche der porösen Hülse 15 im vorderen Teil des Ausströmrohrs 16, daß die Strömungsgeschwindigkeit reduziert wird und eine langsame und gleichgerichtete Ausströmung aus der Mündung des Ausströmrohrs 16 hinaus in den Beobachtungsraum 13 erfolgt. Durch dieses porös ausgekleidete Ausströmrohr 16 wird eine Rückströmung von Fluid aus dem Beobachtungsraum 13 in das Ausströmrohr 16 hinein und zum Sichtfenster 3 hin wirkungsvoll vermieden. Ein geringes Ausströmvolumen des Spülgases bei einem geringem Überdruck gegenüber dem Beobachtungsraum 13 füllt das Ausströmrohr 16 vollständig aus.The porous material over most of the length of the exhaust pipe 16 has two functions. On the one hand causes the porous sleeve 14 in the rear section of the exhaust pipe 16 in that the purge gas diffuses in a diffuse flow through a plurality of openings substantially radially into the exhaust pipe 16 into flows. On the other hand causes the rough surface of the porous sleeve 15 in the front part of the exhaust pipe 16 in that the flow velocity is reduced and a slow and rectified outflow from the mouth of the outflow tube 16 out into the observation room 13 he follows. Through this porous lined exhaust pipe 16 is a backflow of fluid from the observation room 13 in the exhaust pipe 16 into and to the viewing window 3 effectively avoided. A small outflow volume of the purge gas at a slight overpressure compared to the observation room 13 fills the exhaust pipe 16 completely off.

Die Gesamtlänge des Ausströmrohrs 16 entspricht etwa dem Doppelten des Durchmessers des Ausströmrohrs 16. Eine derartige Spülung des Sichtfens ters kann an beiden Gehäusen des Lasermeßsystems, d.h. sowohl dem Gehäuse für die Laserlichtquelle 19 als auch dem Gehäuse für den Photosensor 20, vorgesehen sein.The total length of the exhaust pipe 16 corresponds approximately to twice the diameter of the discharge pipe 16 , Such flushing of the Sichtfens ters can on both housings of the Lasermeßsystems, ie both the housing for the laser light source 19 as well as the housing for the photosensor 20 , be provided.

In der 1 und der 3 ist zu erkennen, daß die beiden Fenster 2 und 3 zur optischen Achse, entlang der der Laserstrahl 18 verläuft, geneigt sind. Hierdurch wird vermieden, daß Reflexionen von der Oberfläche des transparenten Materials der Fenster 2, 3 wieder entlang der optischen Achse zurück in die Laserlichtquelle 19 strahlen bzw. auf der Empfängerseite zurück in den Photosensor 20 strahlen. Auch wird vermieden, daß zwischen den Fenstern 2 und 3 Reflexionen hin- und hergeworfen werden, die zu einer Resonanz führen können.In the 1 and the 3 it can be seen that the two windows 2 and 3 to the optical axis, along which the laser beam 18 runs, are inclined. This avoids reflections from the surface of the transparent material of the windows 2 . 3 back along the optical axis back into the laser light source 19 rays or on the receiver side back into the photosensor 20 radiate. Also, avoid that between the windows 2 and 3 Reflections are thrown back and forth, which can lead to a resonance.

Ferner weist, wie in 3 erkennbar, jedes der Fenster 2, 3 eine Keilform auf. Das heißt, daß die beiden Oberflächen des Fensters 2, 3 zueinander geneigt verlaufen. Die Neigung der beiden Oberflächen des Fensters 2, 3 zueinander ist in 3 übertrieben dargestellt. Der Keilwinkel β zwischen den Fensteroberflächen beträgt in der Praxis etwa 1/30 eines Winkelgrads oder zwei Winkelminuten. Durch diese Schrägstellung werden wiederholte Reflexionen innerhalb des Fensters zwischen seinen Oberflächen und insbesondere der Etaloneffekt vermieden. Derartige keilförmige Fenster 2, 3 können in einem in 1 erkennbaren Gehäuse sowohl auf der Seite der Laserlichtquelle 19 als auch auf der Seite der Photodiode 20 (siehe 3 und 4) angeordnet sein. Vorzugsweise sind alle Fenster zwischen der Laserlichtquelle 19 und der Photodiode 20 gemäß der Darstellung in 3 ausgebildet.Furthermore, as in 3 recognizable, each of the windows 2 . 3 a wedge shape on. That is, the two surfaces of the window 2 . 3 run inclined to each other. The inclination of the two surfaces of the window 2 . 3 each other is in 3 exaggerated. The wedge angle β between the window surfaces is in practice about 1/30 of an angular degree or two angular minutes. This skew avoids repeated reflections within the window between its surfaces and in particular the etalon effect. Such wedge-shaped windows 2 . 3 can in an in 1 recognizable housing both on the side of the laser light source 19 as well as on the side of the photodiode 20 (please refer 3 and 4 ) can be arranged. Preferably, all windows are between the laser light source 19 and the photodiode 20 as shown in 3 educated.

Die 4 zeigt eine Prinzipskizze der zwei optischen Komponenten des erfindungsgemäßen Meßsystems. Auf der einen Seite der Meßstrecke ist eine Laserlichtquelle 19 angeordnet. Auf der anderen Seite der Meßstrecke ist ein Photosensor 20 angeordnet. Die Meßstrecke selbst zwischen der Laserlichtquelle 19 und dem Photosensor 20 weist in der Praxis z.B. eine Länge von 1 m bis zu 30 m auf. Im Falle eines Rauchgaskanals können sich dabei erhebliche mechanische Verformungen und Verwindungen ergeben, welche das exakte Auftreffen des Laserstrahls 18 auf der Photodiode 20 beeinflussen können. Aus diesem Grund ermöglicht die in 4 dargestellte Ausführung des Lasermeßsystems eine Nachführung des Laserstrahls 18.The 4 shows a schematic diagram of the two optical components of the measuring system according to the invention. On one side of the measuring path is a laser light source 19 arranged. On the other side of the test section is a photosensor 20 arranged. The measuring path itself between the laser light source 19 and the photosensor 20 In practice, for example, has a length of 1 m to 30 m. In the case of a flue gas channel, this can result in considerable mechanical deformation and twisting, which the exact impact of the laser beam 18 on the photodiode 20 can influence. Because of this, the in 4 illustrated embodiment of the laser measuring system tracking of the laser beam 18 ,

Der Laser 21 selbst leitet seinen Laserstrahl 18 auf ein Strahlablenkungs-Mittel, nämlich einen Spiegel 22, der über Verstellmotoren 23 um zwei Achsen schwenkbar ist. Der Schwenkweg des Spiegels 22 um jede der beiden Achsen sollte mindestens 1° betragen. Die Genauigkeit der Winkeleinstellung des Spiegels 22 sollte in der Größenordnung von 1/100°, also etwa einer halben Winkelminute liegen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Meßstrecke ist ein Strahlteiler 24 angeordnet, der einen Teil des Laserstrahls 18 auf den Photosensor 20 reflektiert und einen anderen Teil des Laserstrahls 18 zu einem positionsempfindlichen Lichtsensor 25 durchläßt. Der Strahlteiler 24 kann entweder durch einen halbdurchlässigen Spiegel oder durch ein halbdurchlässiges Prisma gebildet werden. Dabei muß die Strahlaufteilung nicht exakt im Verhältnis 50 : 50 erfolgen. Es kann ein sehr viel größerer Anteil des Laserstrahls 18 für Meßzwecke auf den Photosensor 20 geleitet werden. Der auf den positionsempfindlichen Lichtsensor 25 geleitete Anteil kann kleiner sein.The laser 21 himself conducts his laser beam 18 to a beam deflection means, namely a mirror 22 that has adjusting motors 23 is pivotable about two axes. The pivoting path of the mirror 22 around each of the two axes should be at least 1 °. The accuracy of the angle adjustment of the mirror 22 should be on the order of 1/100 °, that is about half an angular minute. On the opposite side of the measuring section is a beam splitter 24 arranged, which is a part of the laser beam 18 on the photosensor 20 reflected and another part of the laser beam 18 to a position-sensitive light sensor 25 passes. The beam splitter 24 can be formed either by a semitransparent mirror or by a semipermeable prism. The beam splitting does not have to be exactly 50:50. It can be a much larger proportion of the laser beam 18 for measurement purposes on the photosensor 20 be directed. The on the position sensitive light sensor 25 guided share may be smaller.

Grundsätzlich ist jeder positionsempfindliche Lichtsensor, wie beispielsweise eine Flächendiode, verwendbar. Vorzugsweise wird eine Vierquadrantendiode 25 verwendet, welche separate Lichtmeßwerte für vier Quadranten ihrer Oberfläche abgibt. Der prinzipielle Aufbau einer Vierquadrantendiode ist in 5 dargestellt. Sie weist vier separate Photodiodenflächen auf, die in den vier Quadranten Q1, Q2, Q3 und Q4 der Oberfläche der Vierquadrantendiode angeordnet sind. Wenn der Laserstrahl 18, wie in 5 dargestellt, genau auf den Mittelpunkt der Vierquadrantendiode 25 zwischen den vier Quadranten Q1–Q4 trifft, trifft auf alle Quadranten die gleiche Lichtmenge und die Meßwerte der vier Quadranten Q1–Q4 stimmen überein. Ein Auswandern des Laserstrahls 18 aus der Mitte der Vierquadrantendiode führt dazu, daß der Meßwert in einem oder zwei der vier Quadranten steigt und in den anderen Quadranten abnimmt.In principle, any position-sensitive light sensor, such as a flat diode, can be used. Preferably, a four-quadrant diode 25 used, which gives separate light readings for four quadrants of their surface. The basic structure of a four-quadrant diode is in 5 shown. It has four separate photodiode areas in the four quadrants Q1, Q2, Q3 and Q4 of the surface of the four-quadrant diode are arranged. When the laser beam 18 , as in 5 shown exactly at the center of the four-quadrant diode 25 between the four quadrants Q1-Q4, the same amount of light hits all quadrants and the measured values of the four quadrants Q1-Q4 coincide. An emigration of the laser beam 18 from the middle of the four quadrant diode causes the reading to increase in one or two of the four quadrants and decrease in the other quadrants.

Durch das Meßsignal der Vierquadrantendiode kann der Verstellmotor 23 (4) derart angesteuert werden, daß er den Laserstrahl 18 genau auf die Mitte der Vierquadrantendiode 25 richtet. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Laserstrahl 18 zu jeder Zeit unabhängig vom Zustand der Verformung oder Verwindung der Strukturen, an denen das erfindungsgemäße Lasermeßsystem installiert ist, vollständig auf den Photosensor 20 geleitet wird und einen zuverlässigen und reproduzierbaren Meßwert erzeugt.By the measuring signal of the four-quadrant diode of the adjusting motor 23 ( 4 ) are driven so that it the laser beam 18 exactly at the middle of the four-quadrant diode 25 directed. In this way it is ensured that the laser beam 18 regardless of the state of deformation or distortion of the structures on which the laser measuring system according to the invention is installed, completely at all times on the photosensor 20 is passed and generates a reliable and reproducible reading.

Das erfindungsgemäße Meßsystem kann auch mehrere Laserlichtquellen und Photosensoren umfassen, die zum Beispiel jeweils mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten. Auch können weitere optische Komponenten im Bedarfsfall im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet werden.The Measuring system according to the invention may also include multiple laser light sources and photosensors, for example, each working with different wavelengths. Also can additional optical components in case of need in the beam path of the Laser beam are arranged.

11
optisches Gerät, optische Komponenteoptical Device, optical component
22
Sichtfensterwindow
33
Sichtfensterwindow
44
rohrförmiger Körpertubular body
55
Innenrauminner space
66
PrüfgaskanalPrüfgaskanal
77
Entlüftungskanalvent channel
88th
Spülgaskanalpurge gas
99
Austrittskanaloutlet channel
1010
Ringnutring groove
1111
Einschraubringscrew ring
1212
radialer Kanalradial channel
1313
Beobachtungsraumobservation room
1414
poröse Hülseporous sleeve
1515
poröse Hülseporous sleeve
1616
Ausströmrohroutflow
1717
Mündungsringmouth ring
1818
optische Achse, Laserstrahloptical Axis, laser beam
1919
LaserlichtquelleLaser light source
2020
Photosensorphotosensor
2121
Laserlaser
2222
Strahlablenkungs-Mittel, SpiegelBeam deflection means mirror
2323
Verstellmotoradjusting
2424
Strahlteilerbeamsplitter
2525
positionsempfindlicher Lichtsensor, Vierquadrantendiodeposition-sensitive Light sensor, four-quadrant diode
2626
Dichtringseal
Q1–Q4Q1-Q4
Quadrantquadrant
ββ
Keilwinkelwedge angle

Claims (8)

Lasermeßsystem zur Messung eines Fluid-Bestandteils in einem Beobachtungsraum (13), mit mindestens einer zur Erzeugung eines Laserstrahls bestimmten Laserlichtquelle (19), die auf einer Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, und mit mindestens einem Photosensor (20), der der Laserlichtquelle (19) gegenüberliegend auf der anderen Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, wobei die Laserlichtquelle und/oder der Photosensor in einem Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (5) des Gehäuses durch ein Sichtfenster (3) aus transparentem Material von dem Beobachtungsraum (13) getrennt ist und daß ein Prüfgaskanal (6) in den Innenraum (5) des Gehäuses mündet.Laser measuring system for measuring a fluid constituent in an observation room ( 13 ), with at least one laser light source intended for generating a laser beam (US Pat. 19 ) on one side of the observation room ( 13 ) and with at least one photosensor ( 20 ), the laser light source ( 19 ) Opposite on the other side of the observation room ( 13 ), wherein the laser light source and / or the photosensor is arranged in a housing, characterized in that the interior ( 5 ) of the housing through a viewing window ( 3 ) of transparent material from the observation room ( 13 ) and that a test gas channel ( 6 ) in the interior ( 5 ) of the housing opens. Lasermeßsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Entlüftungskanal (7), welcher in den Innenraum (5) des Gehäuses mündet.Laser measuring system according to claim 1, characterized by a venting channel ( 7 ), which into the interior ( 5 ) of the housing opens. Lasermeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Spülgaskanal, welcher in den Innenraum (5) des Gehäuses mündet.Laser measuring system according to claim 1 or 2, characterized by a flushing gas channel, which in the interior ( 5 ) of the housing opens. Lasermeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der genannten Kanäle zusammenfallen und von einem Kanal (6) gebildet werden, der im Wechsel mit verschiedenen Gasquellen oder -senken verbindbar ist.Laser measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that two of said channels coincide and are separated by a channel ( 6 ) are formed, which is connected in alternation with different gas sources or sinks. Lasermeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (5) des Gehäuses durch ein Sichtfenster (2) aus transparentem Material von der optischen Komponente (1) getrennt ist.Laser measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the interior ( 5 ) of the housing through a viewing window ( 2 ) of transparent material of the optical component ( 1 ) is disconnected. Verfahren zur Durchführung einer Funktionsprüfung an einem Lasermeßsystem, welches eine Laserlichtquelle (19) und einen Photosensor (20) umfaßt, wobei mindestens eine dieser optischen Komponenten (1) in einem Gehäuse angeordnet ist, welches an einen Beobachtungsraum (13) angrenzend befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (5) des Gehäuses durch ein Sichtfenster (3) aus transparentem Material von dem Beobachtungsraum (13) getrennt wird und daß ein Prüfgas in den Innenraum (5) des Gehäuses des Lasermeßsystems geleitet wird.Method for carrying out a functional test on a laser measuring system, which comprises a laser light source ( 19 ) and a photosensor ( 20 ), wherein at least one of these optical components ( 1 ) is arranged in a housing, which is connected to an observation room ( 13 ) is fastened adjacent, characterized in that the interior ( 5 ) of the housing through a viewing window ( 3 ) of transparent material from the observation room ( 13 ) and that a test gas in the interior ( 5 ) of the housing of the laser measuring system. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwert bei mit einem Spülgas gefülltem Gehäuse vor dem Einleiten des Prüfgases und ein Meßwert bei mit dem Prüfgas gefüllten Gehäuse erfaßt wird und die beiden Meßwerte miteinander verglichen werden.Method according to Claim 6, characterized the existence measurement at with a purge gas filled casing before the introduction of the test gas and a measured value at with the test gas filled casing detected and the two measured values compared with each other. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle (19) in einem ersten Gehäuse angeordnet werden und der Photosensor (20) in einem zweiten Gehäuse angeordnet wird und daß ein erster Meßwert erfaßt wird, wenn eines der beiden Gehäuse mit dem Prüfgas gefüllt ist, und ein zweiter Meßwert erfaßt wird, wenn beide Gehäuse mit dem Prüfgas gefüllt sind.Method according to Claim 6 or 7, characterized in that the laser light source ( 19 ) are arranged in a first housing and the photosensor ( 20 ) is arranged in a second housing and that a first measured value is detected when one of the two housings is filled with the test gas, and a second measured value is detected when both housings are filled with the test gas.
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