DE10223239A1 - Vorrichtung und Verfahren zur spektroskopischen Messung einer Gaskonzentration durch Bestimmung einer einzelnen Absorptionslinie - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur spektroskopischen Messung einer Gaskonzentration durch Bestimmung einer einzelnen Absorptionslinie

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Abstract

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

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Konzentration mindestens einer Komponente eines Prozessgases mit einem Laser, wobei der Strahlengang des Lasers ein das Prozessgas enthaltendes Volumen durchquert.
  • Bekannt sind Meßverfahren und -vorrichtungen zur Ermittlung der Konzentration einzelner Komponenten einer Gasmischung, die unter Einsatz eines Lasers zu laserspektroskopischen Messungen ermittelt werden.
  • Bei der Anwendung von laserspektroskopischen Verfahren zur Konzentrationsbestimmung von Komponenten in staubbelasteten Prozessgasen (Gasmischungen) sind den bekannten Methoden jedoch durch die auftretende Absorption und Reflexion der Laserstrahlung durch die Staubpartikel Grenzen gesetzt. Bei hoher Staubbelastung und größeren Meßstrecken, beispielsweise über einen größeren Rohrquerschnitt hinweg, nimmt die Intensität der Laserstrahlung über die Meßstrecke hinweg so stark ab, dass kein verwertbares Signal am Detektor ankommt. Die bekannten Verfahren sind somit für die beschriebenen Anwendungen nicht geeignet.
  • Der oben beschriebene Anwendungsfall tritt im Bereich der Metallverarbeitung oder der Energiegewinnung und Kraftwerkstechnik vergleichsweise häufig auf, da dort mit Staub verunreinigte (Prozess)-Gase in großen Mengen anfallen, deren Zusammensetzung für den Anlagenbetreiber von großem Interesse ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung von laserspektroskopischen Messungen der Konzentration der Komponenten eines Prozessgases zur Verfügung zu stellen, wobei der Eignung der Erfindung auch für große Volumen staubbelasteter Prozessgase eine besonders wichtige Bedeutung zukommt.
  • Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Strahlengang teilweise frei durch das Prozessgas führt und teilweise von dem Prozessgas abgeschirmt verläuft, wobei nur der Teil des Strahlengangs, der frei durch das Prozessgas führt als Meßstrecke für eine spektroskopische Messung genau einer Absorptionslinie vorgesehen ist. Damit ist der Vorteil verbunden, dass eine gegenüber einer spektroskopischen Messung, die einen Bereich durchmisst (scanning method), wesentlich erhöhte Genauigkeit der Messung erreicht wird. Erfindungsgemäß kommt eine sogenannte Single-Line-Spektroskopie zum Einsatz. Daher wird vorteilhaft ein Laser eingesetzt, dessen Wellenlänge auf einen bestimmten, gewählten Wert festgelegt oder festlegbar ist, die auch präzise eingehalten wird. Beispielsweise wird zur Bestimmung von Kohlenmonoxid ein Infrarotlaser mit einer genau definierten Wellenlänge eingesetzt. Im Gegensatz dazu sind scannende Laser, also Laser, die einen Wellenlängenbereich nach einem vorgegebene Ablauf durchmessen (scannen) für die hohe Genauigkeit, die ein Ziel der vorliegende Erfindung ist, nicht geeignet. Auf Grund der Festlegung auf nur eine Frequenz ist eine fortlaufende automatische Kalibrierung des Lasers ohne sonstige Hilfsmittel möglich. Scannende Laser benötigen im Gegensatz dazu ein oder mehrere Referenzgaszellen um den Laser anhand dieser Gase fortlaufend zu kalibrieren.
  • Bevorzugt ist die Abschirmung des Strahlengangs als Hohlkörper ausgebildet. Besonders bevorzugt sind im Bereich der Abschirmung Mittel zur Einspeisung eines Spülgases vorgesehen, welches zur Verdrängung des Prozessgases aus der Abschirmung, insbesondere aus dem Inneren des Hohlkörpers, dient. Dadurch befindet sich vorteilhaft im Inneren der Abschirmung ein in seiner Zusammensetzung bekanntes, sauberes Gas durch das der Laserstrahl fast keine Abschwächung seiner Intensität erfährt und das sich für die Konzentrationsmessung neutral verhält oder aufgrund der bekannten Zusammensetzung nachträglich aus der Messung wieder eliminiert werden kann. Als Spülgas ist beispielsweise Stickstoff sehr geeignet. Auch Inertgase sind generell als geeignet anzusehen. Die Eignung eines Gases als Spülgas hängt u. a. davon ab von welcher Komponente des Prozessgases die Konzentration ermittelt werden soll.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Abschirmung rohrförmig ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist die Abschirmung als wassergekühlte Lanze ausgeführt. Durch diese Ausführung wird ermöglicht, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konzentrationsmessung auch in Prozessgasen, die eine sehr hohe Temperatur aufweisen, problemlos eingesetzte werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Abschirmung ein hitzebeständiges und/oder säurefestes Material auf. Bevorzugt weist die Abschirmung ein keramisches Material auf. Diese Materialien ermöglichen ebenfalls den problemlosen Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter schwierigen Bedingungen, beispielsweise in Anwesenheit von sauren Komponenten im Prozessgas.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Abschirmung am Beginn des Strahlengangs beim Laser angebracht sowie vor einem Detektor, auf den die Laserstrahlung trifft, wodurch die Meßstrecke von beiden Seiten durch die Abschirmung begrenzt wird. Diese Ausgestaltung birgt unter anderem den Vorteil, dass eventuell vorhandene Randeffekte (Effekte im Randbereich eines Gasvolumens) aus der Messung ausgeblendet werden. Störende Randeffekte können beispielsweise in einem strömenden Prozessgas auftreten.
  • Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Strahlengang teilweise frei durch das Prozessgas führt und teilweise von dem Prozessgas abgeschirmt verläuft, wobei nur der Teil des Strahlengangs, der frei durch das Prozessgas führt, als Meßstrecke bezeichnet wird und zu einer spektroskopischen Messung der Konzentration mit Hilfe des Lasers herangezogen wird, bei der genau eine Absorptionslinie bestimmt wird. Das so gestaltete Verfahren ermöglicht eine zuverlässige Messung mit hoher Genauigkeit auch über größere Meßstrecken hinweg und in staubbelasteten oder anderweitig verschmutzten oder allgemein mit Partikel vermengten Prozessgasen. Die Prozessgase können dabei problemlos eine hohe Temperatur aufweisen, da die bei höheren Temperaturen zu erwartenden Spektralbänder des Wasserdampfs auf die erfindungsgemäße Messung einer einzelnen Absorptinslinie (single-line-spectroscopy) keinen störenden Einfluss ausüben.
  • Vorteilhaft wird die Abschirmung mit einem Spülgas gespült. Mit besonderem Vorteil wird als Spülgas Stickstoff eingesetzt. Dadurch befindet sich vorteilhaft im Inneren der Abschirmung ein in seiner Zusammensetzung bekanntes, sauberes Gas durch das der Laserstrahl fast keine Abschwächung seiner Intensität erfährt und das sich für die Konzentrationsmessung neutral verhält, d. h. keinen Beitrag liefert sofern nicht die Konzentration einer Stickstoffverbindung gemessen werden soll. Allgemein formuliert hängt die Eignung eines Gases als Spülgas davon ab von welcher Komponente des Prozessgases die Konzentration ermittelt werden soll. In der Regel wird bevorzugt ein Spülgas gewählt, das sich von dem Gas dessen Konzentration bestimmt werden soll im Hinblick auf die Spektroskopie deutlich unterscheidet.
  • Auch Inertgase sind vorteilhaft als Spülgase einsetzbar. Der besondere Vorteil besteht bei Inertgasen darin, dass eine chemische Reaktion zwischen Spülgas und Prozessgas ausgeschlossen werden kann.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird Umgebungsluft angesaugt und als Spülgas eingesetzt. Diese Ausgestaltung bietet vor allem den Vorteil niedriger Verfahrenskosten. Jedoch ist die Gegenwart von Umgebungsluft nicht bei allen Anwendungen wünschenswert, beispielsweise bei einer Bestimmung der CO- Konzentration in einem Abgas würde Umgebungsluft als Spülgas zu einer Störung der Messung führen.
  • Ebenso ist beispielsweise für Messungen der Sauerstoffkonzentration in einem Prozessgas Stickstoff als Spülgas zu bevorzugen.
  • Die Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, dass zur Messung der Konzentration ein Laser mit geringer Leistung eingesetzt werden kann, da die Meßstrecke durch die erfindungsgemäße Abschirmung im Vergleich zu einer Messung ohne Abschirmung verkürzt wird. Der Einsatz eines Lasers mit geringer Leistung reduziert darüber hinaus vorteilhaft die Gefahr von unerwünschten Veränderungen im Prozessgas, die durch die Energie der Laserstrahlung im Prozessgas ausgelöst werden könnten.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige
  • Figur einen Querschnitt durch ein das Prozessgas enthaltendes Volumen Im einzelnen ist in der Figur ein das Prozessgas enthaltendes, rohrförmig begrenztes Volumen 1 dargestellt, das auf einer Seite einen Laser 2a und gegenüberliegend einen Detektor 2b aufweist, der die das Volumen 1 durchquerende und auf dem Detektor 2b auftreffende Laserstrahlung registriert. Der Strahlengang des Lasers 2a ist zum Teil von der Abschirmung 3 umgeben, die die Meßstrecke 4 auf beiden Seiten begrenzt, sowohl in Richtung zum Laser 2a hin als auch in Richtung auf den Detektor 2b zu. An der Abschirmung 3 sind vorteilhaft Mittel zur Einspeisung eines Spülgases wie z. B. Stickstoff vorgesehen. Diese Mittel sind in der Figur nicht dargestellt.
  • Das Volumen 1 ist beispielsweise mit einem heißen Prozessgas (z. B. dem Abgas aus einem Stahlwerksofen) gefüllt, das eine Temperatur von 800°C oder größer aufweist und dessen Gehalt an Kohlenmonoxid bestimmt werden soll. Dazu wird eine Abschirmung 3 eingesetzt, die zwei wassergekühlte Keramikrohre 3 aufweist. Als Spülgas kommt gasförmiger Stickstoff zum Einsatz, der das Prozessgas aus dem Inneren der Keramikrohre 3 verdrängt, die beispielsweise durch Kühlwasser führende Rohrschlangen (nicht dargestellt) gekühlt werden.
  • Vorteilhaft weist eine erfindungsgemäße Abschirmung 3 in Abhängigkeit von der Distanz zwischen Laser 2a und Detektor 2b solche Abmessungen auf, dass die Meßstrecke 4 beispielsweise eine Länge von 10 cm bis 30 cm beträgt. Besonders vorteilhaft erweist sich eine Meßstrecke 4 von ca. 20 cm.
  • Der eingesetzte Laser ist bespielsweise ein abstimmbarer Laser, der erfindungsgemäß bei einer einzigen, vor den Messungen ausgewählten Frequenz betrieben wird. Ein abstimmbarer Laser hat den Vorteil, dass aus seinem möglichen Frequenzbereich die Frequenz (respektive Wellenlänge) ausgewählt werden kann, die von der zu bestimmenden Gaskomponente gut absorbiert wird. Die Schwächung der gewählten Absoprtionslinie ist dabei ein Maß für die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponete im Prozessgas.
  • Es ist jedoch auch möglich einen Singel-Mode-Laser einzusetzen, der eine zu der zu bestimmenden Gaskomponente passende Frequenz aufweist.
  • Die Lasermessungen können mit besonderem Vorteil als kontinuierliche Messungen durchgeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind jedoch auch diskontinuierliche Meßmethoden mit Erfolg einsetzbar.

Claims (11)

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