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Patent Searching and Data


Title:
ANALYZING GAS BY WAY OF RAMAN SPECTROSCOPY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/005226
Kind Code:
A1
Abstract:
For the purposes of analyzing gas, a laser light (7) is generated and the gas is introduced into a fiber (2). The laser light (7) is coupled into the fiber (2) in order to excite the gas by means of said laser light (7) such that scattered light (8) is emitted by the gas. The scattered light (8) is guided by the fiber (2) to analytical means (1, 16) and analyzed in respect of at least one of the frequency components, the intensity of the frequency components and the polarity of the frequency components of the scattered light in question in order to analyze the gas on the basis of the at least one of the frequency components, the intensity of the frequency components and the polarity of the frequency components of said scattered light in question. The laser light (7) and the scattered light (8) emitted by the fiber is reflected back into the fiber (2) by means of a reflective device (3).

Inventors:
GISELBRECHT DIETMAR (AT)
Application Number:
PCT/EP2020/069620
Publication Date:
January 14, 2021
Filing Date:
July 10, 2020
Export Citation:
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Assignee:
OMICRON ELECTRONICS GMBH (AT)
International Classes:
G01N21/03; G01N21/65
Domestic Patent References:
WO2012071326A22012-05-31
Foreign References:
US20090257055A12009-10-15
CN105987895A2016-10-05
US20100280664A12010-11-04
Attorney, Agent or Firm:
BANZER, Hans-Jörg (DE)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE

1 . Vorrichtung (10) zum Analysieren von Gas, umfassend

eine Laserlichtquelle (4), um ein Laserlicht (7) zu erzeugen,

eine Faser (2), in welche das Gas einführbar ist,

Koppelmittel (6, 9), um das Laserlicht (7) in die Faser (2) einzukoppeln, um mit dem Laserlicht (7) das Gas anzuregen, so dass Streulicht (8) von dem Gas emittiert wird, Auswertemittel (1 , 16), um das Streulicht (8) hinsichtlich mindestens einer von seiner Frequenz, Intensität und Polarisation auszuwerten, um abhängig von dem mindestens einen von der Frequenz, Intensität und Polarität das Gas zu analysieren, und

Führungsmittel (5, 1 1 ), um das Streulicht (8) zu den Auswertemitteln (1 , 16) zu führen, wobei die Vorrichtung (10) eine Reflexionseinrichtung (3) umfasst, um das Laserlicht (7) und das Streulicht (8), welches aus der Faser (2) emittiert ist, in die Faser (2) zurück zu reflektieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Reflexionseinrichtung mindestens einen Spiegel (3) umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Faser (2) ein erstes Ende (22) und ein zweites Ende (23) aufweist, dass die Koppelmittel (6, 9) das Laserlicht an dem ersten Ende (22) in die Faser (2) einkoppeln, und

dass die Reflexionseinrichtung (3) an dem zweiten Ende (23) angeordnet ist, um das Laserlicht (7) und das Streulicht (8) an dem zweiten Ende (23) in die Faser (2) zurück zu reflektieren.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Auswertemittel ein Raman-Spektrometer (1 ) mit einem Detektor (16) umfas sen, auf welchem das Streulicht (8) auftrifft.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Führungsmittel ein Filter (5) umfassen, um Wellenlängen des Laserlichts (7) und/oder Streulichts (8) auszufiltern.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Faser (2) eine Hohlfaser ist, und

dass das Gas in mindestens einen Hohlraum der Hohlfaser (2) einführbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Hohlfaser mindestens ein Glasrohr umfasst.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Koppelmittel eine Linse (9) umfassen, um das Laserlicht (7) in die Faser (2) einzukoppeln.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Führungsmittel eine Ausgangsfaser (1 1 ) umfassen, um das Streulicht (8) zu den Auswertemitteln zu führen, und

dass die Ausgangsfaser (1 1 ) für eine räumliche Filterung ausgestaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Koppelmittel einen dichroitischen Teiler (6) umfassen, um zum einen das La serlicht (7) in die Faser (2) einzukoppeln und um zum anderen das von der Faser (2) kommende Streulicht (8) auszukoppeln.

1 1 . Prüfsystem zum Prüfen einer Hochspannungsanlage (40), wobei das Prüfsystem (30) eine Auswerteeinheit (20) und eine Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, um eine Analyse des Gases in oder von einer Isolierung (41 ) der Hochspannungsanlage (40) durchzuführen,

wobei die Auswerteeinheit (20) ausgestaltet ist, um abhängig von der Analyse ein Er gebnis der Prüfung der Hochspannungsanlage (40) zu erstellen.

12. Verfahren zum Analysieren von Gas,

wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Erzeugen von Laserlicht (7),

Einführen des Gases in eine Faser (2),

Koppeln des Laserlichts (7) in die Faser (2), um mit dem Laserlicht (7) das Gas anzu regen, so dass Streulicht (8) von dem Gas emittiert wird,

Reflektieren des Laserlichts (7) und des Streulichts (8), welches aus der Faser (2) emittiert wird, in die Faser (2),

Führen des Streulichts (8) von der Faser (2) zu Auswertemitteln (1 , 16), und

Auswerten des Streulichts (8) hinsichtlich mindestens einem von seiner Frequenzan teile, seiner Intensität der Frequenzanteile und seiner Polarität der Frequenzanteile, um abhängig von dem mindestens einen von seinen Frequenzanteilen, von seiner In tensität der Frequenzanteile und von seiner Polarität der Frequenzanteile das Gas zu analysieren.

13. Verfahren nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Verfahren mit einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 -10 ausge führt wird.

Description:
Analysieren von Gas mittels Raman-Spektroskopie

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft die Analyse von Gas und Gasgemischen, beispiels weise zur Messung von Prozessgasen oder Emissionsgasen sowie gelösten Gasen aus ölisolierten Hochspannungsanlagen, mit Hilfe der Raman-Spektroskopie.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Raman-Technologie wird in der analytischen Messtechnik in der Regel für die Flüs- sigkeits- und Feststoffanalyse eingesetzt, um die chemische Struktur einer Messgröße zu analysieren und zu quantifizieren. Dabei wird nur eine geringe Probenmenge benö tigt, welche darüber hinaus in den meisten Fällen weder zerstört noch verändert wird.

Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Materie mit monochromati schem Licht bestrahlt. Im Spektrum des an der zu untersuchenden Materie gestreuten Lichts werden neben den eingestrahlten Frequenzen noch weitere Frequenzen beo bachtet. Die Frequenzunterschiede zum eingestrahlten Licht entsprechen dabei den für die zu untersuchende Materie charakteristischen Energien von Rotations-, Schwin- gungs-, Phonon- oder Spin-Flip-Prozessen. Anhand des Spektrums des gestreuten Lichts können somit Rückschlüsse auf die zu untersuchende Materie gezogen werden.

Die Ursache für diese Rückschlussmöglichkeit liegt in einer Wechselwirkung des Lichts mit der Materie, was auch als Raman-Effekt bezeichnet wird, bei welchem Ener gie vom Licht auf die Materie bzw. Energie von der Materie auf das Licht übertragen wird. Da die Wellenlänge des Lichts, d.h. seine Farbe, von der Energie des Lichts ab hängt, bewirkt dieser Energieübertrag eine Verschiebung der Wellenlänge des ge streuten Lichts gegenüber dem eingestrahlten Licht, was auch als Raman-Verschie bung bekannt ist und in Rayleight-, Stokes- und Anti-Stokes-Streulicht unterteil wird. Zur Analyse oder Messung von Gas wird die Raman-Technologie selten verwendet, da die Intensität des Raman-Effekts (d.h. die Intensität des dabei erzeugten Streu lichts) gering ist. Durch das charakteristische Streulicht der einzelnen Gase können alle Gase außer Edelgase gemessen und/oder analysiert werden, wie zum Beispiel H 2 , O 2 , N 2 CH 4 , C 2 H6 C 2 H 4 , C 2 H 2 , SF Ö . Außerdem ist eine Identifikation der Gase in einem Gasgemisch möglich.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Intensität des Raman-Ef fekts bei der Messung und/oder Analyse von Gas zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Analysieren von Gas nach Anspruch 1 , durch ein Prüfsystem nach Anspruch 1 1 und durch ein Verfah ren zum Analysieren von Gas nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Analysieren von Gas bereitgestellt. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Laserlicht quelle, eine Faser, Koppelmittel, Auswertemittel und Führungsmittel. In die Faser ist Gas einführbar oder einfüllbar. Mit den Koppelmitteln wird ein von der Laserlichtquelle erzeugtes Laserlicht in die Faser eingekoppelt, um mit diesem Laserlicht das Gas in nerhalb der Faser anzuregen, so dass Streulicht von dem Gas emittiert wird. Die Aus wertemittel sind ausgestaltet, um das Streulicht hinsichtlich seiner Frequenz, Intensität und/oder Polarisation auszuwerten, um abhängig von der Frequenz, Intensität und/o der Polarität das Gas zu analysieren. Die Führungsmittel sind ausgestaltet, um das Streulicht zu den Auswertemitteln zu führen oder zu leiten. Zusätzlich umfasst die Vor richtung eine Reflexionseinrichtung, mit welcher das Laserlicht und/oder das Streu licht, welches aus der Faser ausgetreten ist, wieder in die Faser zurück reflektiert wer den. Durch die Reflexionseinrichtung wird vorteilhafterweise Laserlicht und Streulicht, wel ches ohne die Reflexionseinrichtung quasi (zur Verbesserung der Messergebnisse) verloren wäre, wieder in die Faser zurückgeschickt. Mit dem zurückgeschickten Laser licht können weitere Moleküle im zu analysierenden Gas angeregt werden und das zurückgeschickte Streulicht kann zu den Auswertemitteln geführt werden. Insgesamt führt dies zu einer Verstärkung der Messsignale und damit zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit im Vergleich zu einer Vorrichtung, welche die Reflexionseinrichtung nicht aufweist.

Die Reflexionseinrichtung umfasst insbesondere einen oder mehrere Spiegel, welche so ausgestaltet und angeordnet sind, dass der bzw. die Spiegel das aus der Faser austretende Licht (Laserlicht und Streulicht) wieder in die Faser zurückspiegeln. Dabei kann die Reflexionseinrichtung einen halbkugelförmigen Spiegel oder einen Parabol spiegel umfassen, um die aus einem Ende der Faser austretenden Lichtstrahlen ge zielt wieder zu diesem Ende zu reflektieren.

Die in der Regel längliche Faser weist in Längsrichtung gesehen zwei Enden (ein ers tes und ein zweites Ende) auf. Dabei sind die Koppelmittel derart angeordnet, dass die Koppelmittel das Laserlicht an dem ersten Ende der Faser in die Faser einkoppeln. Vorteilhafterweise ist die Reflexionseinrichtung an dem dem ersten Ende gegenüber liegenden zweiten Ende angeordnet, um das Laserlicht und/oder das Streulicht, wel ches an dem zweiten Ende aus der Faser austritt, wieder in die Faser zurück zu re flektieren.

Die Faser kann als Bestandteil einer Gasmesszelle ausgeführt sein, welche einen Ga seinlass und einen Gasauslass mit mindestens einem (Koppel-)Fenster, um das La serlicht in die Gasmesszelle einzuführen und das Streulicht aus der Gasmesszelle auszuführen, umfasst. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei unter einem Fenster insbesondere eine planparallele optische Komponente aus kristallinem Mate rial, welches beschichtet sein kann, um z.B. Reflexionsverluste zu vermeiden, verstan den. Alternativ kann man das Fenster auch als planparallele Platte bezeichnen. Die erfindungsgemäße Analyse des Gases abhängig von der Frequenz, Intensität und/oder Polarität kann die Analyse eines kompletten Spektrums von Gasgemischen umfassen.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Auswertemittel ein Raman-Spektrometer mit einem Detektor (insbesondere mit einem CCD-Detektor (Charged Coupled Device)).

Durch die Kombination mit dem Raman-Spektrometer und der Faser wird erfindungs gemäß eine FERS-Spektroskopie (d.h. eine faserverstärkte Raman-Spektroskopie) re alisiert.

Darüber hinaus können die Führungsmittel ein Filter umfassen, um Wellenlängen (o- der die Wellenlänge) des Laserlichts auszufiltern.

Durch die Anordnung des Filters können vorteilhafterweise die Anregungswellenlän gen, welche von der Laserlichtquelle erzeugt werden, unterdrückt werden.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform handelt es sich bei der Faser um eine so genannte Hohlfaser oder Hollow-Core-Faser (HC-Faser). Diese Art von Faser (d.h. die Hohlfaser) umfasst insbesondere ein oder mehrere Glasrohre. Das zu analysierende Gas wird in den oder in die Hohlräume der Hohlfaser gedrückt.

Die Hohlfaser dient zum einen als optischer Wellenleiter für eine effiziente Führung des Laserlichts durch das zu analysierende Gas. Zum anderen ermöglicht die Hohlfa ser ein effizientes Sammeln und Führen des Streulichts. Beide Effekte erhöhen vor teilhafterweise die Messgenauigkeit.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Koppel mittel ein Fenster (Definition siehe oben) oder eine Linse, um das Laserlicht in die Faser einzukoppeln. Bei dieser Linse handelt es sich vorteilhafterweise um eine Fokussierlinse, wodurch das Laserlicht in die Faser eingekoppelt wird. Bei dem Fenster handelt es sich um ein Mittel, um das Laserlicht und Streulicht möglichst unverändert (insbesondere unge dämpft) in die Faser ein- und auszukoppeln.

Die Führungsmittel umfassen insbesondere eine Ausgangsfaser, um das Streulicht zu den Auswertemitteln zu führen. Diese Ausgangsfaser ist für eine räumliche Filterung geeignet.

Indem das Streulicht in die Ausgangsfaser eingekoppelt wird, wird vorteilhafterweise eine räumliche Filterung erzielt, ohne dass dazu beispielsweise ein sogenanntes Pin hole (oder eine Lochblende) implementiert werden muss.

Es ist allerdings auch möglich, dass die Auswertemittel quasi mit den Führungsmitteln kombiniert sind oder die Auswertemittel und die Führungsmittel ineinander übergehen, so dass keine Ausgangsfaser benötigt wird.

Die Koppelmittel umfassen insbesondere einen dichroitischen Teiler, um zum einen das Laserlicht in die Faser zu lenken bzw. einzukoppeln und um zum anderen das von der Faser kommende Streulicht auszukoppeln und möglichst ohne Anteile des Laser lichts zu den Auswertemitteln zu führen.

Abhängig von dem Typ der Laserlichtquelle ist das aus der Laserlichtquelle austre tende Laserlicht bereits kollimiert (z. B. bei einem Freiraumlaser) oder wird mit einer Linse kollimiert, bevor das kollimierte Laserlicht über den dichroitischen Teiler (DC- Splitter) und z.B. die Fokussierlinse in die Faser eingekoppelt wird.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Fasermit tel, welche neben der Faser ein Rohr umfassen, in welches die Faser eingebettet ist. Das Rohr weist einen inneren Gasdruck auf, welcher einem inneren Gasdruck der Fa ser entspricht. Dabei ist der innere Gasdruck der Faser höher als ein maximal mögli cher innerer Gasdruck der Faser, welcher durch eine Festigkeit und/oder eine optische Eigenschaft der Faser definiert ist, wenn die Faser nicht in das Rohr eingebettet ist. Erfindungsgemäß ist daher der innere Gasdruck der Faser insbesondere höher als ein maximaler innerer Gasdruck der Faser, welcher allein durch die Festigkeit und die op tische Eigenschaft der Faser (d.h. ohne Einbettung in ein Rohr) definiert ist. Der maxi male innere Gasdruck der Faser ist dabei dadurch definiert, dass sich, wenn der Dif ferenzdruck der Faser zwischen Innendruck und Außendruck der Faser größer als die ser maximale innere Gasdruck der Faser ist, die optischen Eigenschaften der Faser ändern und/oder die Faser zerstört wird. Anders ausgedrückt entspricht der maximale innere Gasdruckdruck der Faser genau demjenigen Differenzdruck der Faser zwi schen Innendruck und Außendruck der Faser bei dem die optischen Eigenschaften der Faser im Vergleich zu einem nahezu nicht vorhandenen Differenzdruck der Faser im Wesentlichen unverändert sind.

Durch das Einbetten der Faser in das Rohr und da das Rohr und die Faser mit dem selben Gasdruck gefüllt sind, ist der Differenzdruck zwischen der Außenseite der Fa ser und der Innenseite der Faser (im statischen Zustand) identisch. Durch diese Maß nahme wird eine mechanische Belastung der Faser aufgrund des erhöhten inneren Gasdrucks innerhalb der Faser weitestgehend vermieden, so dass die Faser trotz des erhöhten inneren Gasdrucks dieselben optischen Eigenschaften aufweist wie bei ei nem inneren Gasdruck auf dem Niveau des Umgebungsluftdrucks.

Indem der innere Gasdruck der Faser erhöht wird, wird die Anzahl der Gasmoleküle und somit die Intensität des Streulichts erhöht, was zusätzlich zu der Reflexionsein richtung zur Erhöhung der Messgenauigkeit führt. Dabei weist die Messgenauigkeit eine lineare Abhängigkeit von dem inneren Gasdruck der Faser auf, so dass die Mess genauigkeit umso höher liegt, umso höher der innere Gasdruck der Faser ist, sofern die anderen Randbedingungen (z.B. Laserleistung) konstant gehalten werden können.

Durch die Einbettung der Faser in das Rohr kann der innere Gasdruck der Faser vor teilhafterweise über den maximalen inneren Gasdruck der Faser erhöht werden, wobei dieser maximale innere Gasdruck der Faser allein durch die Festigkeit der Faser be stimmt wird. Mit anderen Worten wird durch das Einbetten der Faser in das Rohr und durch das Befüllen des Rohrs mit demselben inneren Gasdruck wie die Faser ermög licht, dass der innere Gasdruck der Faser sehr stark erhöht werden kann, wodurch die Streulichtintensität und somit die Messgenauigkeit entsprechend gesteigert werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Prüfsystem zum Prüfen von ge lösten Gasen und Gas an einer Flochspannungsanlage bereitgestellt. Dabei umfasst das Prüfsystem eine Auswerteeinheit und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Analysieren von Gas. Das Prüfsystem ist ausgestaltet, um eine Analyse des Gases von oder in einer Isolierung der Flochspannungsanlage durchzuführen. Die Auswer teeinheit ist ausgestaltet, um abhängig von der Analyse des Gases ein Ergebnis der Überprüfung der Flochspannungsanlage zu erstellen.

Das erfindungsgemäße Prüfsystem kann an ölisolierten Hochspannungsanlagen, wie z.B. Leistungstransformatoren, Stromwandlern, Spannungswandlern und mittels Gas isolierten Schaltanlagen, eingesetzt werden. Bei dem zu analysierenden Gas kann es sich um ein Gas, welches zur Isolierung der Hochspannungsanlage selbst eingesetzt wird, oder um ein Gas, welches sich aus einer Flüssigkeit einer Isolierung gelöst hat, handeln.

Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Analysie ren von Gas bereitgestellt. Dieses erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:

• Erzeugen von Laserlicht. In diesem Schritt wird von einer Laserlichtquelle ins besondere monochromatisches Licht erzeugt.

• Einführen oder Einfüllen des Gases in eine Faser.

• Einkoppeln des Laserlichts in die Faser, um mit dem Laserlicht das Gas anzu regen, so dass Streulicht von dem Gas emittiert wird. In diesem Schritt wird das Laserlicht insbesondere am ersten oder vorderen Ende in die Faser eingekop pelt. • Reflektieren des Laserlichts und/oder des Streulichts, welches aus der Faser emittiert wird, zurück in die Faser. In diesem Schritt wird das Laserlicht und/oder Streulicht, welches am zweiten oder hinteren Ende, das dem ersten bzw. vor deren Ende gegenüberliegt, aus der Faser austritt, mit einer Reflexionseinrich tung wieder zur Faser (insbesondere zu dem zweiten oder hinteren Ende) hin reflektiert, damit das Laserlicht und/oder Streulicht wieder in die Faser eintritt.

• Führen des Streulichts von der Faser zu Auswertemitteln. In diesem Schritt wird das Streulicht insbesondere von dem ersten oder vorderen Ende der Faser zu den Auswertemitteln geführt.

• Auswerten des Streulichts bezüglich seiner Frequenzanteile, seiner Intensität dieser Frequenzanteile und/oder seiner Polarität dieser Frequenzanteile, um abhängig von seinen Frequenzanteilen, von seiner Intensität der Frequenzan teile und/oder von seiner Polarität der Frequenzanteile das Gas zu analysieren.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.

Neben der Überprüfung von Hochspannungsanlagen kann die vorliegende Erfindung zur Qualitätskontrolle im Labor, zur Prozessanalyse und Prozessüberwachung einge setzt werden für:

• Petrochemie- und Chemie-Anlagen

• Erdgas-Aufbereitungsanlagen

• Bio-Gas-Anlagen

• Brennwertbestimmungen bei online Erdgasanalysen und bei Energieerzeugun gen

• Emissionsmessungen KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

In Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Analysieren von Gas dargestellt.

In Fig. 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Prüfsystem mit einer erfindungsge mäßen Vorrichtung zur Überprüfung einer Hochspannungsanlage dargestellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

In Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 dargestellt, welche einen Detektor 1 , einen Lichtgenerator 17, eine Faser 2 und eine Reflexionseinrichtung 3 umfasst.

Der Detektor 1 umfasst ein Raman-Spektrometer, welches Messsignale über einen CCD-Detektor 16 erfasst.

Der Lichtgenerator 17 umfasst einen monochromatischen Laser 4 zur Erzeugung ei nes Laserlichts bzw. Laserstrahls 7, mit welchem Gas-Moleküle angeregt werden. Zu sätzlich umfasst der Lichtgenerator 17 optische Bauteile 5, 6, 9, 12, 13 für die Lenkung des Laserstrahls 7 in eine Hohlfaser 2 und für die Lenkung des Streulichts 8 zu dem Detektor 1 . Beispielsweise verhindert ein Filter 5, dass der Laserstrahl 7 zum Detektor 1 geführt wird.

Die Faser 2 und die Reflexionseinrichtung 3 sind Bestandteil eines Sensors oder einer (Gas-)Messzelle 21 . Über einen Gaseinlass 15 wird das zu analysierende Gas in die Hohlfaser 2 eingeleitet und über einen Gasauslass 14 wieder abgeleitet. Das Hauptelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist diese Hohlfaser 2, wel che auch als Hollow-Core-Faser oder HC-Faser bezeichnet wird. Die Hohlfaser 2 um fasst ein Bündel von Glasröhren. Das zu analysierende Gas wird in Hohlräume der Hohlfaser 2 gedrückt, welche zwischen den Glasröhren existieren.

Durch die Einkopplung des Laserstrahls 7 an dem vorderen Ende 22 in die Hohlfaser 2 wird das innerhalb der Hohlfaser 2 befindliche Gas angeregt, so dass aufgrund des Raman-Effekts Streulicht 8 vom Gas emittiert wird. Über eine Linse 9 und ein Fenster 19 wird der Laserstrahl 7 an dem vorderen Ende 22 in die Hohlfaser 2 eingekoppelt. Lichtanteile des Laserlichts 7 und des Streulichts 8, welche insbesondere an dem hin teren Ende 23 die Hohlfaser 2 verlassen, werden von der Reflexionseinrichtung 3 (z.B. einem halbkugelförmigen Spiegel oder einem Parabolspiegel) wieder an dem hinteren Ende 23 in die Hohlfaser 2 zurück reflektiert. Das Streulicht 8 (insbesondere Streupho tonen) werden in eine Ausgangsfaser 1 1 eingekoppelt und einem Raman-Spektrome- ter 1 , in welchem Messsignale über einen CCD-Detektor 16 erfasst werden, zugeführt.

Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Linse 9 auch anstelle des Fensters 19 in der Gasmesszelle 21 integriert sein, so dass die Linse 9 quasi die Funk tion des Fensters mit übernimmt.

Der Lichtgenerator 17 ist ein optisches Führungssystem, bei welchem quasi die Wege des Laserstrahls 7 zur Faser 2 mit einem dichroitischen Teiler bzw. Splitter 6 gelenkt werden und das Streulicht 8 durch den dichroitischen Teiler bzw. Splitter 6 über ein Filter 5 in den Pfad zur Ausgangsfaser 1 1 hinzugefügt wird. Durch das Filter 5 werden restliche Wellenlängen des Laserstrahls 7 maßgeblich unterdrückt, so dass möglichst nur diejenigen Photonen, welche in der Hohlfaser 2 durch die Raman-Streuung er zeugt werden, in die Ausgangsfaser 1 1 gelangen. Außerdem kann in dem Streulicht pfad ein weiterer Filter (nicht dargestellt) für eine Intensitätsreduzierung von Streulicht anteilen verwendet werden, um die einzelnen lichtempfindlichen Elemente (Pixel) ei nes CCD-Sensors vor einer zu hoher Ladungsmenge zu schützen (Blooming-Effekt). Damit werden durch die Einkopplung der durch den Raman-Effekt gestreuten Photo nen (des Streulichts 8) in die Ausgangsfaser 1 1 nahezu nur die Photonen des Streu lichts 8 zur Spektralanalyse in das Raman-Spektrometer 1 geleitet. Durch den An- Schluss des Raman-Spektrometers 1 über die Ausgangsfaser 1 1 wird vorteilhafter weise eine räumliche Filterung erzielt, ohne dass dazu beispielsweise ein Pinhole im plementiert werden muss.

Das Filter 5 zum Filtern des Laserlichts 7 kann irgendwo im Pfad des Laserlichts 7 vom dichroitischen Teiler 6 bis zum CCD-Sensor 16 angeordnet werden, wobei der in Fig.

I dargestellte Ort bevorzugt ist.

Das (nicht dargestellte) Filter zum Filtern des Streulichts kann irgendwo im Pfad des Streulichts vom vorderen Ende 22 der Faser 2 bis zum CCD-Sensor 16 angeordnet sein. Dabei ist selbst ein Anordnen dieses Filters direkt auf dem CCD-Sensor 16 vor teilhaft.

Bei dem Laser 4 kann es sich um einen fasergekoppelten Laser oder um einen Frei raum-Laser handeln. Bei einem fasergekoppelten Laser wird der Laserstrahl 7 mit ei ner Linse 13 kollimiert und über den dichroitischen Teiler 6 und eine Fokussierlinse 9 in die Hohlfaser (Messfaser) 2 eingekoppelt. Aus einem Freiraum-Laser tritt das Licht bereits kollimiert aus, so dass keine zusätzliche Linse 13 notwendig ist und der Laser strahl 7 direkt über den Splitter 6 und die Fokussierlinse 9 in die Hohlfaser 2 eingekop pelt werden kann.

Erfindungsgemäß ist auch eine kompakte Ausführungsform möglich, bei welcher das Spektrometer 1 in den Lichtgenerator 17 integriert ist, wobei dabei die Ausgangsfaser

I I und Linse 12 entfallen kann.

In Fig. 2 sind schematisch ein erfindungsgemäßes Prüfsystem 30 und eine Hochspan nungsanlage 40 dargestellt. Dabei ist das Prüfsystem 30 ausgestaltet, um eine Isolie rung 41 der Hochspannungsanlage 40 zu überprüfen. Das Prüfsystem 30 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Analysieren von Gas, wie sie vorab beschrie ben und in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Darüber hinaus umfasst das Prüfsystem 30 eine Auswerteeinheit 20, um abhängig von der durch die Vorrichtung 10 ausgeführ ten Analyse des Gases ein Ergebnis der Überprüfung zu erstellen. Dabei analysiert die Vorrichtung 10 ein aus der Isolierung 41 kommendes Gas, wobei anhand der Ana lyse dieses Gases die Qualität der Isolierung 41 und damit ein Maß für die Einsatzbe reitschaft der Hochspannungsanlage 40 selbst bestimmt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Spektrometer

2 Hohlfaser

3 ReflexionsSpiegel

4 Laser

5 Filter

6 dichroitischer Teiler

7 Laserlicht

8 Streulicht

9 Linse

10 Vorrichtung

11 Ausgangsfaser bzw. Spektrometerfaser 12 Linse

13 Linse

14 Gasauslass mit Koppelfenster oder Linse

15 Gaseinlass

1 6 CCD

17 Lichtgenerator mit optischer Führung

1 8 Laserfaser

1 9 Fenster

20 Rechenmittel bzw. Prozessor

21 Gasmesszelle

22 , 23 Ende der Faser

30 PrüfSystem

4 0 Hochspannungsanlage

4 1 Isolierung