Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenhohlraumresonator als Meßzelle für Prozeßgasanalysatoren. Mit einer solchen Einrich¬ tung wird mit mikrowellenspektroskopischen Methoden unter Aus¬ nutzung des Starkeffekts die Konzentration einer vorgesehenen Gaskomponente in einem Prozeßgas bestimmt. Üblicherweise wer¬ den die Messungen nach dem Durchstrahlungsprinzip durchge¬ führt, bei dem räumlich sehr lange Meßzellen eingesetzt werden (siehe DE 36 45 240 C2) , um eine hohe Nachweisempfindlichkeit zu erreichen.

Eine Alternative zur Vermeidung solcher Baulängen sind Resona¬ toren. Um möglichst niedrige Gaskonzentrationen hochempfind¬ lich nachweisen zu können, ist man bestrebt, die Güte des Re¬ sonators sehr hoch zu treiben. Eine hohe Güte bringt zwangs¬ läufig mit sich, daß der Resonator empfindlich auf Umge¬ bungseinflüsse reagiert. Diese Einflüsse müssen durch stabili¬ sierende Maßnahmen neutralisiert werden (siehe hierzu R.Reinschlüssel et al., "Design of a sensitive cavity..., in AEÜ, Band 40, 1986, Heft 5, s.313-320). Die Kompensation der äußeren Einflüsse bedeutet zusätzlichen konstruktiven Aufwand, der eine erheblich Erhöhung der Baukosten mit sich bringt.

Ein prozeßfähiger Gasanalysator wird in DE-Z: Technisches Mes¬ sen 58 (1991) 11, Seiten 433 bis 438 vorgestellt. Darin wird ein Mikrowellenprozeßanalysator zur schnellen Analyse von z. B. Rauchgasen beschrieben.

In der US 3,973,186 wird über einen Mikrowellenhohlresonator für kontinuierliche, spektroskopische Gasanalysen berichtet. Der Resonaor ist rechteckig ausgebildet, kann aber auch zylin¬ drisch sein. Die Resonanzfrequenz des Resonators kann variiert werden, um verschiedene polare Moleküle individuell untersu¬ chen zu können.

Aus dem Bereich der Kraftwerkstechnik und der MüllVerbrennung kommt die Forderung, die als Aufgabe der Erfindung zugrunde liegt, nämlich die Bestimmung der Konzentration von Ammoniak im Rauchgas unter Prozeßbedingungen, in Echtzeit und ohne Querempfindlichkeit gegen die andern Bestandteile des Proze߬ gases. Hierzu muß ein prozeßtaugliches Analysegerät in den Ab- luftanlagen installiert werden, das in der rauhen Umgebung aufgestellt werden kann und dort zuverlässig die Konzentration des bekannten Gasanteils oder der Gaskomponente im Langzeitbe¬ trieb erfaßt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer als Hohlraumresona¬ tor für Mikrowellen ausgebildeten Meßzelle gemäß den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Der Grundgedanke ist die Reduktion der Meßzellenlänge durch einen Resonator niedriger Güte (Low-Q-Re- sonator) . Dieser Resonator ist auf die Absorptionsfrequenz des Meßgases, also der zu untersuchenden Komponente im Prozeßgas, abgestimmt. Die mikrowellentechnischen Eigenschaften legen seine Geometrie im wesentlichen fest. Durch die vielfache Re¬ flexion im Resonator ist die effektive Weglänge in ihm erheb¬ lich größer als seine geometrische Länge. Eine räumlich erheb¬ lich kleinere Bauweise ist dadurch möglich.

Der Resonator ist durch ein dielektrisches Fenster in zwei Kammern, den Rundhohlleiterteil und den Koaxialleiterteil druck- und gasdicht unterteilt.

Das freie, spitz zulaufende Ende des Innenleiters im Koaxial¬ leiterteil liegt unmittelbar vor dem dielektrischen Fenster und hat dorthin höchstens noch die Distanz, die für eine axiale Verschiebemöglichkeit zur Justierung und Feinabstimmung der Mikrowellenverhältnisse notwendig ist. Die Länge des In- nenleiters, der Starkelektrode, in der Meßzelle muß so ein¬ stellbar sein, daß ihre Spitze in einen Knoten des elektri¬ schen Feldes zu liegen kommt.

Der Koaxialleiterteil des Resonators bildet die eigentliche Meßzelle oder den Wechselwirkungsraum. In sie wird das aus der Bypass-Leitung abgezweigte Prozeßgasvolumen kontinuierlich in der Nähe des dielektrischen Fensters eingeströmt, dann über Gasdurchlässe im dortigen, feststehenden Mikrowellenreflektor möglichst größflächig und kontinuierlich abgesaugt, so daß sich in der Meßzelle ein vorgegebenes Druckgefälle einstellt.

Im Rundhohlleiterteil des Resonators erfolgt die Mikrowellen- ein- und -auskopplung. Der Mikrowellenreflektor ist dort zum Einstellen optimaler Resonanzbedingungen und optimaler Ein- und Auskoppelbedingungen axial verstellbar.

Der Resonator kann ganz spezifisch zur Messung nur einer Gas¬ sorte vorgesehen und deshalb in seiner Resonatorgeometrie nur darauf abgestimmt sein. Er kann aber auch noch für andere Gas¬ sorten vorgesehen sein, deren Absσrptionslinien im ähnlichen Wellenlängenbereich liegen. Dann könnte es zweckmäßig sein, den Resonator überzudimensionieren. Für die zuverlässige Mes¬ sung werden dann solche Betriebsparameter gesucht, mit denen sich in einem mit vorgegebenem Frequenzbereich nur eine Reso¬ nanzfrequenz (Mode) befindet.

Um periphere Einflüsse, wie mechanische Einwirkungen auf den Resonator, weitestgehend zu vermeiden und um Temperaturschwan¬ kungen von außerhalb höchstens unbedeutend in den Resonator¬ raum aufgrund einer großen Wärmekapazität eindringen zu las¬ sen, ist der Resonator sehr dickwandig ausgeführt.

Ein Meßgerät mit einem solchen Resonator und der darin räum¬ lich abgeschotteten Meßzelle, dessen Resonatorgüte sich etwa zwischen 1000 und 2000 bewegt (Low-Q-Resonator) ist für eine rauhe Prozeßumgebung tauglich und erfüllt die Erwartung an Nachweisempfindlichkeit, Wartungsfreundlichkeit, Stabilität und wirtschaftlichen Aufbau.

Eine Ausführung des Mikrowellenhohlraumresonators mit niedri¬ ger Güte zur Detektion bzw. Bestimmung der Konzentration von speziell Ammoniak in Rauchgas ist in der Zeichnung skizziert und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. la den Resonator mit seinem Rundhohlleiter- und Koaxial¬ leiterteil,

Fig. lb die schematisch konstruktive Darstellung des Low-Q-Re- sonators,

Fig. 2 den Vergleich des Resonatorhalbwertsbreite mit der Li¬ nienbreite einer NH ₃ ~Linie,

Fig. 3 den schematischen Meßaufbau des Gasanalysators.

Der Aufbau des Low-Q-Resoantor 1 ist einfach gehalten und be¬ steht vom Prinzip her aus vier einzelnen Bausteinen (Fig. lb) :

Dem Koaxialleiterteil 3 als eigentliche Meßzelle 3 im we¬ sentlichen mit dem Innenleiter 6 als Starkseptum 6 oder Starkelektrode 6, das neben der Durchführung im feststehen¬ den Mikrowellenreflektor 5 noch durch einen Teflonstern 10 hinter der Spitze in koaxialer Lage gehalten wird. Der Tef¬ lonstern 10 ist so gestaltet, daß er die Mikrowelle im Reso¬ nator 1 und die kontinuierliche Meßgasströmung nur un¬ wesentlich beeinträchtigt.

11.

Dem Rundhohlleiterteil 2 als Mikrowellenkoppelblock, mit der Ein- und Auskopplung 8 und dem als fl/4-Transformator ausgeführten Mikrowellenreflektor 4, der axial verschiebbar ist und zwei Abstimmfunktionen ermöglicht: einerseits für die Resonanzabstimmung im Resonator 1 und andererseits für

die Einstellung der optimalen Ein- und Auskopplung der Mi¬ krowelle.

iii.

Der Koaxialleiterteil 3 als eigentliche Meßzelle 3 mit der Blende 9 oder Restriktion 9 für den Meßgaseinlaß aus dem in der Bypass-Leitung 21 geführten Prozeßgas und dem festste¬ henden Mikrowellenreflektor 5, der als Modenfilter konstru¬ iert ist und gleichzeitig als Halterung und Durchführung für den axial verschiebbaren Innenleiter 6, die Starkelektrode 6 oder auch Starkseptum 6, dient. Das Meßgas wird kontinuier¬ lich über Bohrungen im Mikrowellenreflektor 5 abgesaugt, ohne oder nur mit unbedeutender Beeinflussung der Mikrowel¬ lenreflexion.

iv.

Dem dielektrischen Fenster 7 in Form einer Kaptonfolie 7, die den Rundhohlleiterteil 2 vom Koaxialleiterteil 3 des Re¬ sonators 1 trennt. Die Folie 7 ist mechanisch hinreichend zäh und chemisch hinreichend inert, so daß der Druckunter¬ schied zwischen beiden Resonatorräumen 2, 3 aufrecht gehal¬ ten wird und keine chemischen Reaktionen eintreten. Im Rund¬ hohlleiterteil 2 herrscht im allgemeinen Umgebungsdruck, im Koaxialleiterteil 3 Unterdruck. Die Einwirkung der Folie 7 auf die Mikrowelle im Resonator 1 ist unbedeutend.

Für die Dimensionierung des Resonators 1 werden einige Moden von H- und E-Wellentypen im interessierenden Frequenzbereich betrachtet. Der Grundmode ist jener Wellentyp mit dem höchsten Verhältnis von cut-off-Wellenlänge zum Durchmesser des Resona¬ tors 1. Das ist im Anwendungsbeispiel der Hn~Mode. Für den Aufbau des Low-Q-Resonators 1 liegt der Hn-Mode zugrunde. Alle anderen Wellentypen haben hier eine Cut-Off-Frequenz weit oberhalb des gewünschten Frequenzbereichs und sind deshalb in dem Resonator 1 nicht ausbreitungsfähig.

Hergeleitet aus bekannten hochfrequenztechnischen bzw. mikro¬ wellentechnischen Betrachtungen (siehe z.B. Meinke Gundlach, "Taschenbuch der Hf-Technik") wird aus fertigungstechnischen Gründen der Innendurchmesser des Resonators 1 zu D = 10 mm ge¬ wählt. Mit kleinen konstruktiven Änderungen kann er dann bis zu Frequenzen um 30 GHz verwendet werden, da die Grenzfrequenz ₀ tiefer liegt, und zwar für den Hu Mode bei etwa 17,56 GHz.

Allgemein ergibt sich die Wellenlänge in einem Hohlleiter /„ mit der Wellenlänge im freien Raum A ₀ = 12.556 mm (f ₀ = 23.87013 GHz) und der cut-off-Wellenlänge ^* λ _c des Wellenlei¬ ters nach

λg I V [ 1 - iλoltλr,) ² 3

Zur Anpassung an den H^-Mode im Rundhohl- 2 und Koaxialleiter 3 beim Durchmesser D = 10 mm muß der Durchmesser d des Innen¬ leiters 6 oder der Starkelektrode 6 durch Angleichung der Cut- Off-Wellenlänge ( rl _C HL (i ^m Rundhohlleiter) = /IcKoax ( i- ^m ^o- axialen Hohlleiter) = 18.54 mm) angepaßt werden. Für Durchmes¬ serverhältnisse D/d kleiner 5 gilt mit

Λ _c = 0.973 x π/ 2 x (D+d)

Daraus ergibt sich für die Starkelektrode 6 ein optimaler Durchmesser von d = 2.13 mm. Mit handelsüblichem Stangenmate¬ rial (Edelstahl, Messing) von 2 mm erreicht man eine ausrei¬ chende Anpassung der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter an den koaxialen Leiterteil 3 ( ΛcKoax ⁼ 18.34 mm). Material dieser Stärke dämpft gleichzeitig mechanische Schwingungen der Starkelektrode 6, welche im Prozeß auftreten können. Solche Schwingungen sind zu vermeiden, weil sie unerwünschterweise die Starkspannung und damit auch die Signalamplitude modulie¬ ren.

Für verschiedene Werte des Parameters p, des ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge, ergeben sich mit dem Hχι~ Modej-)

Q<tc ⁼ l-706xD) bei der Resonanzfrequenz f ₀ = 23.87013 GHz ( ü ₀ = 12.556 mm, ΛgHL ⁼ 18-54 mm, die resultierende Wellenlänge im Rundhohlleiter 2) für die gewünschte Absorptionslinie des Ammoniaks (NH ₃ ) und für D = 10 mm folgende Näherungswerte für die Länge L' des Stückes Resonator 2 ohne den koaxialen Teil 3 (Fig. la + b)

p 4 5 6 7 8

L'/mm 37.09 46.36 55.63 64.89 74.16

Für den koaxialen Leiterteil 3 des Low-Q-Resonators 1 ergibt sich in gleicher Weise p 25 26 27 28 29

L/mm 201.00 209.04 217,08 225.12 225.12

Gemessen wurde die Länge L der Starkelektrode 6 für ein opti¬ males Resonanzbild zu etwa 207 mm, bzw. 215 mm für aufeinanderfolgende, ähnliche Zustände im Resonator 1. Der Ab¬ stand zweier optimaler Zustände, das sind eine halbe Hohllei¬ terwellenlänge im koaxialen Teil des Resonators 1, beträgt demzufolge etwa 8 mm. Für die gleiche Cut-Off-Wellenlänge d _c von 18,4 mm ist der Abstand zweier halber Hohlleiterwellenlän¬ gen im nichtkoaxialen Teil 2 des Rundhohlleiters 9.3 mm. Der koaxiale Leiterteil 3 des Resonators 1 ist deshalb etwa 207 mm, der Rundhohlleiterteil 2 etwa 55 mm lang.

Die Halbwertsbreite der Resonatorkennlinie 13 des Resonators 1 (Fig. 2) ist vorteilhafterweise etwa um den Faktor 2 bis 3 größer als die Halbwertsbreite der Absorptionslinie 14. Diese beträgt für NH ₃ etwa 7 MHz bei dem vorgegebenen Druck (Fig. 2), ist bei niedrigeren Drücken kleiner und nimmt zu höheren Drücken zu (Linienverbreiterung) . Mit diesen Daten wird zunächst eine beladene Güte des Resonators 1 von 1000 bis 2000 angestrebt. Die Konfiguration des Low-Q-Resoantors 1 nach den

oben angegebenen Gesichtspunkten führt schließlich zu einer Güte von etwa 1200.

Die Mikrowellenzuführung vom Sender 15 her geschieht über den Reckteck-Hohlleiter 11 und den Koppelschlitz in der Wand des Rundhohlleiters 2. In gleicher Weise ist auch die Anbindung des Detektors 17 ausgelegt. Diese beiden Koppelschlitze haben je ungefähr die Länge der halben Resonanzwellenlänge. Die Breite und Wandstärke ist klein gegen diese Schlitzlänge. Die Wandstärke im Ein- und Auskoppelschlitzbereich sollte aus mi¬ krowellentechnischer Sicht unendlich dünn sein, sie wird aber so klein gehalten, daß ausreichende mechanische Stabilität während des Betriebs besteht und der Einfluß auf die Mikro¬ welle unerheblich bleibt.

Die Ankopplung an den Prozeß erfolgt nach der schematischen Zeichnung in Fig. lb über die in der Regel beheizte Bypass- Leitung 21, die einen Teil des zu überwachenden Gasstromes an der Meßzelle 3 vorbeiführt. Der von der Blende 9 ausgehende Rüssel ragt in den Hauptstrom in der Bypass-Leitung 21 und zweigt kontinuierlich das vorgesehene Meßgasvolumen ab. Die Blende 9, in anderer Bauweise auch als Ventil 9 gestaltet, allgemein die Restriktion 9, reduziert den Druck in der Me߬ zelle 3 durch Absaugen des Meßgases daraus, so daß das vor¬ gesehene Druckgefälle zwischen der Blende 9 und dem Mikrowel¬ lenreflektor 5 am andern Ende der Meßzelle 3 aufrechterhalten wird. Die Absaugleistung der Pumpe 20 ist deshalb dem Druckbe¬ reich angepaßt, der bei anderen zu messenden Gasen unter¬ schiedlich sein kann.

Das auf die besonders schnelle Erfassung von Meßwerten opti¬ mierte Low-Q-Meßsystem erfordert einige zusätzliche Maßnahmen bei der Konzeption des Gasweges. Wesentlich ist die Verlegung der Bypass-Leitung 21 so nahe wie möglich an die Meßzelle 3, damit das zwischen der Blende 9 in der Meßzelle 3 und dem Me߬ gasabgriff, dem Rüsseleingang im Bereich der größten Gasströ¬ mung in der Bypass-Leitung 21 unvermeidbare Totvolumen minimal

wird. Die einstellbare Blende 9 ersetzt ein im allgemeinen konstruktiv komplexeres Ventil.

Ein zu großer Druckgradient in der Meßzelle 3 führt wegen der Abhängigkeit des Meßsignals vom Druck zu einer Signalreduk¬ tion. Für ein hinsichtlich der Schnelligkeit optimiertes Me߬ system muß ein Kompromiß zwischen Signalamplitude, Gasdurch¬ satz und Druck in der Zelle gefunden werden.

Der gesamte Geräteaufbau des Gasanalysators folgt dem bekann¬ ten Schema, wie er in der DE 36 45 240 C2 angewendet wurde und in Fig. 3 skizziert ist. Der frequenzstabilisierte Mikrowel¬ lensender 15, eine Gunn-Diode, strahlt in den Low-Q-Resonator 1 ein. Der Sender 15 ist von der Einkopplung über einen Isola¬ tor 16 entkoppelt. Das starkmodulierte Mikrowellenfeld wird mit dem Detektor 17 aufgenommen und dem Lock-In-Verstärker 18 zugeleitet. Dieser verstärkt das Empfangssignal phasensynchron zum Starksignal soweit, daß die Auswerteeinheit, z. B. ein Mikrorechner, das aufbereitete Signal verfügbar machen kann. Fig. 2 zeigt, daß die durch den Starkeffekt verschobene Linie ausreichend ausmoduliert ist, so daß die eigentliche Absorpti¬ onslinie 14 symmetrisch auftritt.

Aufgrund der kurzen Gasaustauschzeiten, ca. 100 Meßzellenvolu- men/sec bei diesem Resonator 1, die sich durch die kleinen Ab¬ messungen der Meßzelle 3 und die Optimierung des Gasweges er¬ geben, wird die Ansprechzeit auf Änderungen im Meßgas erheb¬ lich verkürzt. Für das reine Meßsystem, ohne externe zu¬ sätzliche Probenahmeleitungen, werden auch mit Ammoniak, einer Komponente mit starken Adsorptionseigenschaften, Werte von etwa 30 Millisekunden erreicht. Im normalen Meßbetrieb werden daher Ansprechzeiten von deutlich unter einer Sekunde er¬ reicht. Das bedeutet eine Beschleunigung um mindestens den Faktor 200 gegenüber dem in der DE 36 45 240 C2 beschriebenen Gerät, in der Nachweisgrenze wird dasselbe um den Faktor 2 übertroffen. Der Analysator mit der Low-Q-Meßzelle l erreicht eine Nachweisempfindlichkeit bei Ammoniak (NH ₃ ) von 0,1 vppm

bei einer Zeitkonstante des Lock-In-Verstärkers von 20 Sekun¬ den. Mit ihm sind jetzt regelungstechnische Aufgaben lösbar, die vorher wegen der Langsamkeit der Analysatoren nicht gelöst werden konnten.

Bezugszeicheniiste

1 Resonator, Low-Q-Resonator

2 Rundhohleiterteil

3 Koaxialleiterteil, Meßzelle

4 axial verschiebbarer Mikrowellenreflektor

5 feststehender Mikrowellenreflektor

6 Innenleiter, Starkelektrode, Starkseptum

7 dielektrisches Fenster, Kaptonfolie, Folie

8 Mikrowellenkoppelebene, Ein- und Auskopplung

9 Blende, Restriktion, Ventil, Gaseinlaß

10 dielektrischer Stern, Teflonstern

11 Hohlleiter, Rechteckhohlleiter

12 Gasauslaß

13 Resonatorkennlinie

14 Ammoniak-Linie, Absorptionslinie

15 Mikrowellensender

16 Isolator

17 Detektor

18 Lock-in-Verstärker

19 Starkgenerator 20 Pumpe

21 Bypass-Leitung

22 dielektrischer Hohlzylinder, Mikrowellensumpf

23 Spitze der Starkelektrode