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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag October 1, 2016

Nicht-invasive Prozesssonde zur Inline-Ramananalyse durch optische Schaugläser

Non invasive process probe for inline Raman monitoring through optical inspection glasses
Frank Braun, Robert Schalk, Jochen Brunner, Hanns Simon Eckhardt, Michael Theuer, Ute Veith, Steffen Hennig, Wolfgang Ferstl, Frank-Jürgen Methner, Thomas Beuermann, Norbert Gretz and Matthias Rädle
From the journal tm - Technisches Messen

Zusammenfassung

Trotz der bekannten Vorteile der Raman-Spektroskopie, wie bspw. eine höhere chemische Selektivität gegenüber Messmethoden im nahen Infrarot (NIR) oder die im Vergleich zum mittleren Infrarotbereich (MIR) niedrigen Matrixeinflüsse des Wassermoleküls, ist diese optische Messtechnik in der Online-Prozessanalysentechnik nicht weit verbreitet. Ein wesentliches Problem besteht in einem oftmals kostenintensiven Nachrüsten einer Messstelle durch den Einbau sogenannter Immersionssonden in eine produktführende Rohrleitung oder einen Behälter. Eine praktikable Alternative stellt das hier entwickelte neuartige Sondensystem dar, welches eine Strahlführung über Linsen mit relativ großen Durchmessern beinhaltet, da dieses an vorhandene Schauglasarmaturen angekoppelt werden kann. Mit diesem robusten Sondenaufbau sind Brennweiten weit über 25 mm möglich, welche Echtzeit-Messungen von außerhalb der produktführenden Leitungen durch optische Schaugläser gestatten. Die dadurch entstehenden Messoptionen werden exemplarisch am Nachweis von Ethanol durch Schaugläser unterschiedlicher Dicken sowie bei einer quantitativen Echtzeit-Verfolgung eines Propylencarbonat-Wasser-Gemisches durch eine Schauglasarmatur (Nenndruck PN 16, Nennweite DN 50) im Technikumsmaßstab untersucht. Die vorgestellte Raman-Sonde hat durch einfache Adaption an bereits vorhandene Armaturen industrieller Anlagen das Potential einer preiswerten und kontaktlosen Inline-Messlösung mit hoher Standzeit in der Prozessanalysentechnik (PAT).

Abstract

Raman spectroscopy features some significant advantages against existing spectroscopic techniques. Amongst them are higher chemical sensitivities compared to NIR and a relatively low detection range for water molecules, in contrast to MIR spectroscopy. In process installations, compared to all spectroscopic techniques Raman plays only a minor role. Main challenges for process integration are long-term stability of the available measurement systems, high installation costs of so-called immersion probes and the addition of measurement points to existing plant layouts in piping and vessels. After the implementation of probes, a technical clearance that consists of an acceptance and pressure test has to be carried out by external certification authorities. A practical alternative is demonstrated by a robust probe concept, which enables beam propagation through large aperture optics. Therefore, focal lengths exceeding 25 mm allow real-time measurement of samples from the outside of piping filled with analytes through optical windows in production plants. The potential of this new measurement option is tested exemplarily by the detection of ethanol through optical windows of various thicknesses. A quantitative real-time monitoring of a mixture of propylene carbonate in water through an inspection glass PN 16 was tested in a pilot plant scale. The presented Raman probe has a high potential for the use in industrial plants, as it allows a simple, cost-efficient and contact-free adaption to existing measurement points in process analytic technology and features a long service life.

Funding statement: AiF GmbH, (Grant / Award Number: ‚2035756LW3‘)

Erhalten: 2016-4-26
Revidiert: 2016-7-7
Angenommen: 2016-7-8
Online erschienen: 2016-10-1
Erschienen im Druck: 2016-10-28

©2016 Walter de Gruyter Berlin/Boston